Luận văn Nghiên cứu thiết kế hộ thống tiết kiệm năng lượng cho hệ thống thiết bị nhà nấu bia

. Vậy tổng lượng bã ẩm là: Gbã = 929. = 4645 ( kg) (2-29) Lượng nước còn lại trong bã: Gnước bã = = 4645 - 929 = 3716 (kg). Để đảm bảo dịch đường đi lên men có nồng độ đường đúng yêu cầu là 11,5 0Bx, và năng suất của hệ nấu (Vmẻ) đạt 30m3 dịch, lượng dịch ra khỏi nồi lọc (bơm sang nồi húp lông hoá) là: Ghúp lông = Vmẻ. (2-30) = 30.1028. = 33733 (kg) Trong đó: ζlangxoay-Tổn thất do lắng cặn hoa khi qua nồi lắng xoáy (bằng 2%.). ζhúp lông-Tổn thất do bay hơi trong quá trình húp lông hoá (bằng 8%). Lượng nước cần có trong dịch đi húp lông hoá là: Gnướchl = Ghúp lông - Gk = 33733- 3452 = 30283 (kg). Do trong quá trình rửa bã, nhiệt độ dịch khá lớn (76 oC) và thời gian kéo dài nên có tổn thất hơi nước (theo thực tế thống kê khoảng 1% tổng lượng nước có trong nồi lọc), đồng thời lượng bã sẽ mang theo một lượng nước như đã tính ở phần trên nên tổng lượng nước đi qua nồi lọc sẽ là: Gnướclọc = Gnướchl. + Gnước bã (2-31) = 30283. + 3716 = 34303 (kg) Lượng nước có trong dịch đường hoá là: Gnướcdh = Ga1 + Ga2 +Gnhh + Gndh + Gnướclạnh2 + Gnnhc - Ghơihh - Ghơidh =174 + 240 + 5529 + 17170 + 1408 + 1645 – 358 - 776 = 25086,45 (kg). Trên thực tế quá trình nấu tại Nhà máy bia Thanh Hoá và các nhà máy bia khác tại Việt Nam, tổn thất tinh bột sót tại nồi lọc bã khoảng 1%. Và để làm được điều này, các nhà máy phải rửa bã 3 lần. Lượng nước rửa bã bổ sung vào nồi lọc bã trong quá trình rửa bã có nhiệt độ 76 oC (theo yêu cầu công nghệ) là: Grửa bã = Gnướchl - Gnướcdh = 34303 - 25086 = 9217 (kg). (2-32) Lượng nước nóng và nước lạnh hoà trộn để được 9217 kg nước 76 oC được tính theo hệ phương trình sau: Gnlrửa.Cn l. ∆t1 = Gnnrửa. Cnn. ∆t2 (2-33) Gnlrửa + Gnnrửa = 9217 Giải hệ phương trình trên ta được khối lượng nước nóng 80 oC và nước nấu 23,6 oC là: Gnlrửa = 656 (kg). Gnnrửa = 8561 (kg). Tính toán cân bằng chất tại nồi húp lông hoá Như đã nêu, trong quá trình húp lông hoá, lượng nước bốc hơi tại nồi húp lông hoá theo yêu cầu công nghệ là 8%. Vậy lượng nước bốc hơi tại nồi húp lông hoá là: Ghơihl = 8%. Ghúp lông = 8%.33733 = 2699 (kg). Tính toán cân bằng chất tại nồi lắng xoáy Tại nồi lắng xoáy, như đã nêu, có tác dụng lắng cặn hoa sau khi cô hoa. Tổn thất trong quá trình này thực chất là loại bỏ cặn hoa. Khối lượng cặn hoa có khối lượng bằng 2% (theo thực tế tại Nhà máy bia Thanh Hoá). Vậy lượng dịch ra khỏi nồi lắng xoáy (Glanhnhanh): Glanhnhanh = (100 - 2)%.Glangxoay =(100 - 2)%.31034,78 = 30414,09 (kg). (3-36) Lượng đường có trong dịch đường đi lắng xoáy (nồng độ 11,5 0Bx) là: Gđườnglx = 11,5%.30414 = 3498 (kg). (3-37) Do quá trình lắng xoáy có sự thay đổi không đáng kể về tính chất của dịch nên ta tạm coi các thông số vật lý của dịch không thay đổi so với dịch sau khi ra khỏi nồi húp lông hoá. Ngoài các nồi kể trên, hệ thống nấu còn có một nồi đa năng có cấu tạo và kích thước đúng bằng nồi đường hoá. Nồi này có tác dụng như một nồi dự phòng đồng thời là nồi trung gian có tác dụng giải phóng nồi lọc cho mẻ kế tiếp khi nồi húp lông hoá chưa kết thúc. Thông thường, với tác dụng như một nồi trung gian, nồi này chỉ chứa dịch trước khi cấp vào nồi húp lông hoá. Tính chất của dịch chính là dịch sau lọc. Tại đây không diễn ra sự thay đổi chất và lượng nào đáng kể. Chỉ có tổn thất nhiệt ra môi trường mặc dù khá nhỏ. Bảng 2-4 Bảng tổng kết cân bằng chất tại các nồi trong hệ nấu TT Thành phần dịch Đơn vị Nồi hồ hoá Nồi đường hoá Nồi lọc bã Nồi houblon hoá Nồi trung gian Nồi lắng xoáy 1 Gk kg 1222 4416 4416 3498 3498 3498 2 Ga kg 6807 25086 29318 27537 30236 26916 3 Gh kg 358 776 302,8 2699 4 Gbã kg 4645 5 Gtổng kg 8029 29502 33733 31035 33733 30414 6 C kJ/kg.K 3,77 3,78 3,92 3,92 7 Nước 800C kg 701 3744 8561 8 Nước 23,60C kg 6291 15071 656 Ghi chú: Gk : Khối lượng chất khô Ga :Khối lượng nước Gh : Khối lượng hơi Gbã :Khối lượng bã Gtổng :Khối lượng tổng cộng 2.2.5 Tính toán cân bằng nhiệt cho hệ thống nấu Chi phí năng lượng trong hệ nấu bao gồm: - Lượng nhiệt hữu ích để gia nhiệt cho dịch; - Lượng nhiệt để đốt nóng kết cấu vỏ; - Lượng nhiệt tổn thất trong quá trình nấu (tổn thất qua kết cấu, tổn thất do bã thải, tổn thất do bay hơi). Quá trình tính toán lượng nhiệt tiêu tốn cho hệ nấu bao gồm: tính lượng nhiệt cấp cho nồi hồ hoá, nồi đường hoá, nồi húp lông hoá, nồi lọc, nồi lắng xoáy. Vì thiết bị trong hệ nấu có cấu tạo tương tự nhau nên chỉ tính chi tiết cho một nồi, các nồi khác áp dụng công thức và phương pháp tính tương tự. ở đáy của các nồi hồ hoá, đường hoá, đa năng, nồi lọc có lắp cánh khuấy, mục đích là để cho dịch được gia nhiệt đồng đều, tuy nhiên công suất của cánh khuấy nhỏ, vì vậy có thể bỏ qua năng lượng mà cánh khuấy truyền cho dịch. * Ta tính toán chi tiết cho nồi hồ hoá + Nhiệt lượng cần cung cấp để nâng nhiệt độ của dịch Quá trình gia nhiệt cho dung dịch hồ hoá gồm bốn giai đoạn - Giai đoạn nâng nhiệt độ cho dịch từ 23,6 oC đến 30 oC; - Giai đoạn nâng nhiệt độ cho dịch từ 30 oC đến 72 oC; - Giai đoạn nâng nhiệt độ cho dịch từ 72 oC đến 83 oC; - Giai đoạn nâng nhiệt độ cho dịch từ 72 oC đến 100 oC. Lượng nhiệt cần để nâng nhiệt độ dung dịch hồ hoá từ 23,6 oC đến 72 oC và từ 72oC đến 83 oC (với khối lượng dịch cháo, nhiệt dung riêng dịch cháo đã tính ở mục trên) là: Q1 = Gdịch1. C dịch1. ∆t (2-38) = 6979. 3,71. (83-23,6) = 1538203 (kJ). Lượng nhiệt cần để nâng nhiệt độ dung dịch hồ hoá từ 72oC đến 100oC sau khi hạ nhiệt: Q2 = Gdịch2. C dịch2. ∆t (2-39) = 8387. 3,79. (100-72) = 847980 (kJ). + Nhiệt lượng cần cung cấp để nâng nhiệt độ của vỏ Quá trình gia nhiệt cho vỏ nồi hồ hoá cũng bao gồm bốn giai đoạn tương tự như đối với dịch. Lượng nhiệt cần để nâng nhiệt độ vỏ nồi hồ hoá từ 23,6 oC đến 83 oC: Qv1 = Gvỏ. C vỏ. ∆t1 (3-40) Theo tài liệu kỹ thuật, inox 304 có nhiệt dung riêng là 0,48 kJ/kg.K. Với khối lượng, nhiệt dung riêng dịch cháo đã tính ở mục trên, ta được: Qv1 = 6979. 0,48. (83-23,6) = 1538203 (kJ). Lượng nhiệt cần để nâng nhiệt độ vỏ nồi hồ hoá từ 720C đến 100 oC sau khi hạ nhiệt: Qv2 = Gvỏ. C vỏ. ∆t2 (3-41) = 8387. 3,79. (100-72) = 847980 (kJ). + Tính tổn thất nhiệt do truyền nhiệt ra môi trường Tổn thất nhiệt qua kết cấu nồi được tính cho các giai đoạn sau: Giai đoạn 1: hoà trộn nguyên liệu ở 30oC 15 phút; Giai đoạn 2: gia nhiệt từ 30oC đến 72oC trong 25 phút; Giai đoạn 3: ngâm ủ ở 72 oC trong 20 phút; Giai đoạn 4: gia nhiệt độ từ 72oC đến 83oC trong 11 phút; Giai đoạn 5: ngâm ủ ở 83oC trong 5 phút; Giai đoạn 6: hạ nhiệt độ từ 83oC xuống còn 72oC trong 6 phút; Giai đoạn 7: ngâm ủ ở 72 oC trong 25 phút; Giai đoạn 8: gia nhiệt từ 72oC đến 100oC trong 25 phút; Giai đoạn 9: đun sôi ở 100oC trong 15 phút. Tổn thất nhiệt từ thiết bị ra môi trường được chia làm hai phần: nhiệt toả từ bề mặt ngoài của thiết bị tới môi trường và dẫn nhiệt qua vách. - Nhiệt truyền ra ngoài môi trường từ bề mặt ngoài của nồi được tính theo công thức: Q = α. F. (tw - tf) (2-42) Trong đó: Q - dòng nhiệt tổn thất qua bề mặt vách (W). F - diện tích trao đổi nhiệt (m2). tw - nhiệt độ trung bình của bề mặt vách (oC). tf - nhiệt độ môi trường (oC). Bề mặt trao đổi nhiệt của nồi được tính theo 2 cách: phần nắp và phần đáy nồi được tính theo vách phẳng; phần thân tính theo vách trụ. Tính cho bề mặt vách trụ: Vách trụ gồm 3 lớp, cấu trúc vách trụ được thể hiện trên hình 2-4 - Lớp 1 (trong cùng) được làm bằng inox AISI 304 có hệ số dẫn nhiệt: λ1 = 15,45 W/mK; chiều dày 4 mm. - Lớp 2: là lớp bông thuỷ tinh có độ dày 100 mm và có hệ số dẫn nhiệt: λ = 0,0394 + 0,000348. ttb W/m.K ttb: nhiệt độ trung bình của bông thuỷ tinh, ttb = 0,5(tw1 + tw), oC. - Lớp 3: là lớp thép inox AISI 304 bọc ngoài cùng, có chiều dày 2 mm. Cấu trúc vách trụ và đáy của nồi được thể hiện trên hình 2-4: Hệ số toả nhiệt α được tính theo công thức sau: α = αđl + αbx (2-43) Trong đó: αđl - Hệ số toả nhiệt đối lưu được tính bằng công thức: (W/m2.K) [4]. (2-44) αbx: Hệ số toả nhiệt bức xạ và được tính theo công thức: αbx = (W/m2.K). (2-45) Với: Num - Tiêu chuẩn Nusselt; λkk - Hệ số dẫn nhiệt của không khí ở 23,6 oC, λkk = 0,026 (W/mK); h: Chiều cao thân nồi (m); : Nhiệt độ trung bình giữa nhiệt độ môi trường và nhiệt độ vách và được tính bằng: = 273 + Với: ε: Độ đen của vật liệu, ε = 0,3 σ: Hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối. σ0 = 5,67.10 -8 (W/m2.K4 ). Vì quá trình trao đổi nhiệt đối lưu ở đây là trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian rộng vô hạn nên tiêu chuẩn Nusselt được xác định theo công thức: Num = C(Gr.Pr)n m [4]. (2-47) Với nhiệt độ xác định là nhiệt độ trung bình: tm = 0,5.(tw + tf) Các tiêu chuẩn đồng dạng khác được tính theo các công thức: Gr: tiêu chuẩn Grashof, Gr = Pr: tiêu chuẩn Prandt, Pr = Trong đó: ν: Độ nhớt động học, [m2/s]. β: Hệ số giãn nở thể tích, [1/K]. a: Hệ số dẫn nhiệt độ, [m2/s]. Dòng nhiệt truyền qua thân trụ 3 lớp ứng với một đơn vị chiều dài vách trụ: q = (W/m). Giả thiết nhiệt độ bề mặt vách trong bằng nhiệt độ của dịch nóng: tv =tw1 Do chiều dày hai lớp kim loại 1 và 3 rất nhỏ và hệ số dẫn nhiệt lớn hơn hệ số dẫn nhiệt của bông thuỷ tinh rất nhiều nên bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt trở 2 lớp này, khi đó: q = (W/m). (2-48) Dòng nhiệt truyền qua vách trụ ứng với một đơn vị chiều dài vách được xác định theo công thức: q = α. π. d4.(tw - tf) (W/m) (2-49) Trong hai công thức (2-44) và (2-45) trên, các đại lượng α, λ phụ thuộc vào tw nhưng tw chưa biết. Vậy muốn xác định được dòng nhiệt phải tính được tw. Giá trị tw là giá trị đảm bảo kết quả tính dòng nhiệt tính theo 2 công thức (3-48) và (3-49) phải bằng nhau nên suy ra: q = = α. π. d4.(tw - tf) (W/m). (2-50) Ta dùng phương pháp lặp để giải bài toán này. Lập các công thức và sử dụng phần mềm Excel để giải rất thuận tiện và đạt độ chính xác cao. Bằng cách cho các giá trị tw khác nhau, giá trị nào thoả mãn phương trình (2-50) thì đó chính là nhiệt độ bên ngoài của thân trụ. Kết quả tính toán được thể hiện trên bảng 2-4. + Tính cho bề mặt phần đáy nồi: Tương tự như thân nồi, cấu trúc của đáy nồi cũng gồm 3 lớp: lớp 1 và lớp 2 giống thân trụ, riêng lớp 3 có chiều dày 0,5 mm. Do lớp 1 và lớp 3 có chiều dày nhỏ nên bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt trở hai lớp này. Khi đó, tương tự như đối với thân trụ, mật độ dòng nhiệt cho phần đáy được xác định theo công thức sau: q = .(tw1- tw) = α.(tw-tf) (2-51) Nhiệt tổn thất qua phần đáy: Q = q.s (W). α: Được tính theo công thức (2-31). tw1: là nhiệt độ của áo hơi, vì các áo hơi là vật liệu dẫn nhiệt tốt, nên có thể coi nhiệt độ của áo hơi bằng nhiệt độ của hơi: tw1 = th S: là diện tích đáy, được tính như sau: S = , α là góc côn. Do mặt dưới đáy nồi có các áo hơi bao quanh. Hơi đi bên trong các áo này truyền nhiệt cho dịch đồng thời bị tổn thất một phần ra ngoài môi trường nên đối với những giai đoạn có cấp hơi, nhiệt độ tính toán tw1 được lấy bằng nhiệt độ hơi. Mặt khác bề mặt đốt nóng của đáy nồi quay xuống dưới do đó hệ số toả nhiệt đối lưu của không khí thực tế thu được sẽ giảm đi 30% so với tính toán. Hơi đi vào áo hơi có áp suất 4 bar, tra bảng, ứng với áp suất đó có nhiệt độ của hơi: th = 143,62oC. + Tính nhiệt tổn thất qua phần nắp nồi Do vách rất mỏng, hơn nữa hệ số dẫn nhiệt của vật liệu AISI 304 nên bỏ qua ảnh hưởng nhiệt trở của vách tới quá trình truyền nhiệt ra bên ngoài. Khi đó nhiệt độ bề mặt vách trong bằng nhiệt độ bề mặt vách ngoài. Mật độ dòng nhiệt tổn thất qua nắp có thể tính theo công thức: q = α1.(tv - tw) (W/m2) q = α2.(tw - tf) (W/m2) α1: Hệ số toả nhiệt từ môi trường nóng vào bề mặt vách trong. α2: Hệ số toả nhiệt từ bề mặt vách ngoài ra môi trường. Hệ số toả nhiệt α1, α2 được tính theo công thức (2-31), riêng αđl1, αđl2 được tính theo công thức: αđl = 2,56. (2-52) + Tổn thất do hơi nước mang ra ngoài Hơi nước thoát ra trong quá trình nấu là hơi bão hoà khô ở 100oC. Lượng nhiệt tổn thất do hơi nước mang theo được tính theo công thức: Q = Gh.i’’ i”: Entanpi của hơi nước bão hoà khô ở 100oC, i’’ = 2676 (kJ/kg). 2.3 Phân tích, lựa chọn phương án tiết kiệm năng lượng cho hệ thống nấu Như đã trình bày ở phần trên, nhà máy bia Thanh Hóa là một trong các nhà máy có quy mô, mức độ tự động và công suất ở mức trung bình, có thể đại diện cho các nhà máy bia hiện đại có công suất vừa và lớn tại Việt Nam. Vì vậy việc nghiên cứu, áp dụng các giải pháp tiết kiệm năng lượng thành công cho Nhà máy bia Thanh Hóa sẽ mở ra một hướng mới cho các nhà máy bia tại Việt Nam và có thể ứng dụng một cách rộng rãi cho rất nhiều các nhà máy bia có công suất tương tự. Sau khi nghiên cứu kỹ các sơ đồ công nghệ của nhà máy bia Thanh Hóa, có thể nhận thấy một số khâu trong quá trính sản xuất chưa được bố trí hợp lý để có thể tiết kiệm chi phí năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất. Từ đó, xin được đưa ra một số cơ sở để lựa chọn các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho nhà máy thông qua việc tác động vào một số khâu, một số quá trình và thiết bị tại nhà máy trên cơ sở cải tạo, đầu tư thêm các thiết bị mới để đảm bảo việc nâng công suất của nhà máy trong giai đoạn hiện nay. 2.3.1 Nhận xét Trong sản xuất người ta luôn muốn giảm tối đa chi phí đồng thời tăng hiệu quả sử dụng năng lượng. Vì vậy cần có biện pháp kết hợp sử dụng hai nguồn năng lượng và các biện pháp hạn chế, tận dụng tối đa các tổn thất trong các quá trình. Đây chính là mục tiêu của đề tài nghiên cứu. Qua phân tích việc sử dụng năng lượng thực tế trong các khâu của quá trình sản xuất ở các nhà máy bia, cũng như chính sách về giá điện sản xuất của ngành điện đưa ra ta có thể đưa ra các hướng tiết kiệm như sau: - Hạn chế tốt thiểu các tổn thất về năng lượng sử dụng trong sản xuất, cụ thể là: + Phải tối ưu hoá các quá trình sản xuất sao cho tiết kiệm nhất + Tìm cách thu nhận và tái sử dụng lại các dạng năng lượng thải ra trong quá trình sản xuất như năng lượng nhiệt thải ra trong nước ngưng, trong hơi thứ bay ra ở các nồi hồ hoá, hup long hoá, đường hoá. - Tìm cách tận dụng những khoảng thời gian trong ngày có giá bán điện rẻ (vào ban đêm) để vận hành các hệ thống có sử dụng năng lượng điện và hết sức hạn chế việc vận hành các hệ thống này vào những khoảng thừi gian có giá bán điện cao. - Tìm cách tận dụng những chất thải bỏ (bã thải, nước thải. ) để biến chúng thành năng lượng sử dụng lại trong nhà máy. Trong khuôn khổ của một đề tài tốt nghiệp, do điều kiện thời gian không cho phép nên chúng tôi chỉ xin được đi sâu vào tìm hiểu, phân tích và đưa ra các giải pháp tiết kiệm năng lượng nhiệt trong hệ thống nấu. 2.3.2 Cơ sở đề xuất giải pháp Tiết kiệm năng lượng cho hệ thống nấu Từ các kết quả tính toán thu được ở phần trên, ta rút ra được bảng 2-10, tổng kết lượng nhiệt tiêu thụ tại các nồi trong hệ thống nấu, từ đó có thể đưa ra các biểu đồ hình 2-10, phân bố tiêu thụ năng lượng cho hệ nấu theo từng nồi, hình 2-11, phân bố tiêu thụ năng lượng cho hệ nấu theo thành phần nhiệt tổn thất và hình 2-12, phân bố lượng nhiệt tổn thất do bốc hơi tại các nồi. Giải pháp mà luận văn này đi vào nghiên cứu và giải quyết là giải pháp tiết kiệm hơi tổn thất ở nồi húp lông hóa. Lượng hơi cung cấp cho hệ nấu rất lớn và tập trung vào nồi húp lông hóa, hơi cấp cho nồi húp lông hóa chủ yếu làm bốc hơi nước từ nồi húp lông hóa và thải ra môi trường gây tổn thất nhiệt rất lớn và gây ô nhiễm môi trường. Do đó, nên tận dụng thu hồi lượng nước bốc hơi từ nồi húp lông hóa để tái sử dụng cho hệ nấu. Việc tái sử dụng hơi có thể được cân nhắc trong quá trình tính toán. Hơi có thể được tái nén và đưa trở về phục vụ cho việc cấp nhiệt cho nồi húp lông hóa hoặc trao đổi nhiệt với nước công nghệ để có nước nóng sử dụng trong quá trình hòa trộn nguyên liệu và rửa bã hoặc cả hai mục đích trên. Hình 2-13 và 2-14 dưới đây mô tả hai giải pháp tận dụng thu hồi nhiệt tại nồi húp lông hóa. Trên cơ sở tính toán, ta có thể lựa chọn phương án phù hợp áp dụng cho công trình. Để giải quyết các nhược điểm của sơ đồ trên, luận văn này xin đưa ra và nghiên cứu thiết kế hệ thống tiết kiệm năng lượng theo sơ đồ trình bày trên hình 2-15. Theo sơ đồ hình 4-5, hơi nước thoát ra từ nồi húp lông hóa một phần được trao đổi nhiệt với nước để có nước nóng 990C đưa về bình tích trữ năng lượng và dùng để gia nhiệt dịch đường. Phần còn lại sẽ được đưa về máy nén hơi, tái nén lên áp suất cao và đưa vào nồi húp lông hóa. Sơ đồ này thay vì sử dụng bình ngưng ống vỏ đã dùng tháp rửa hơi vừa làm sạch hơi cấp cho máy nén vừa tăng cường hiệu quả trao đổi nhiệt. 2.3.3 Phân tích, định hướng lựa chọn giải pháp Dựa trên biểu đồ phân bố tổn thất năng lượng tại nồi húp lông hóa thì ta thấy lượng nhiệt tổn thất ra môi trường chỉ chiếm 0,81%. Tuy nhiên, tại thời điểm nồi húp lông hóa đã sôi thì chỉ tồn tại hai thành phần tổn thất là tổn thất do hơi nước thải ra môi trường và do tổn thất ra môi trường qua kết cấu. Như vậy, tại thời điểm nồi húp lông hóa sôi, việc tận dụng thu hồi hơi thải có ý nghĩa rất lớn vì nhiệt lượng này đã gần như cân bằng với lượng nhiệt cấp vào. Nhiệt được sử dụng trong tất cả các công đoạn của quá trình sản xuất, nhưng lượng nhiệt được sử dụng chủ yếu ở một số khâu như: - Nhiệt được sử dụng trong quá trình nấu (theo bảng 2-9). Thông thường lượng nhiệt này được cấp trực tiếp bởi lò hơi. Tại nhà máy bia Thanh Hóa sử dụng 3 lò hơi đốt than công suất 2,5 tấn/h. - Nước công nghệ có nhiệt độ 800C được sử dụng để hoà trộn với dịch tại nồi hồ hoá, nồi malt và bổ sung cho quá trình lọc là 13,38 m3 (theo các tính toán ở phần trên) và được cấp bởi lượng nước sau khi làm lạnh dịch sau thùng lắng xoáy. Sơ đồ công nghệ cho quá trình này được trình bày trên hình vẽ 1 trong phần phụ lục. Lượng nước thu được đủ cung cấp cho nhu cầu sử dụng tại hệ nấu, nên các biện pháp gia nhiệt nước cấp của hệ nấu là không cần thiết, vì đã tận dụngtriệt để lượng nhiệt từ hơi thoát ra trong nồi húp lông. Hơi sau khi ra khỏi nồi húp lông là hơi sạch, hơi này có nhiệt độ 1000C và áp suất 1 kg/cm2. Các thông số vật lý của hơi chưa đủ để gia nhiệt cho dịch và đảm bảo chế độ sôi yêu cầu hay nói chính xác hơn là sẽ đòi hỏi thiết bị trao đổi nhiệt có diện tích truyền nhiệt lớn, thời gian trao đổi nhiệt lâu. Mặt khác, lượng hơi này chưa không thể đủ để có thể gia nhiệt cho chính thiết bị sinh hơi và tổn thất tại thiết bị rửa hơi. Do đó, ngoài lượng hơi tái nén tuần hoàn, cần bổ sung thêm một lượng hơi cấp từ lò hơi của nhà máy. Hai dòng hơi thứ cấp (hơi tái tuần hoàn) và cấp I (hơi từ lò hơi) sẽ được phối trộn với nhau nhờ một bơm hơi (từ đây được gọi là ejector). CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ VÀ THUYẾT MINH KỸ THUẬT CHO HỆ THỐNG TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG TRONG PHÂN XƯỞNG NẤU 3.1 Sơ đồ nguyên lý của hê thống tiết kiệm năng lượng Hơi bốc lên từ nồi hup lông hoá sau khi đi qua thiết bị làm kín đường ống, được đưa về tháp rửa hơi, tại đây hơi được rửa sạch để loại bỏ những cặn bẩn hữu cơ có cuấn theo hơi khi bay ra khỏi nồi húp lông hóa, ở đây hơi được cho đi từ dưới lên, ngược chiều vơi dòng nước nóng 900C được phun từ trên đỉnh tháp xuống. Hơi sau khi ra khỏi tháp rửa hơi là hơi sạch đã được loại bỏ hết cặn bẩn, có nhiệt độ là 1000C, áp suất hơi là 1 kg/cm2, hơi này được đưa về máy nén hơi, tại đây hơi được nén lên áp suất cao (có P khoảng 1,6kg/m2 và nhiệt độ khoảng 1450C) sau đó lượng hơi tái nén này được phối trộn với một lượng hơi từ lò hơi (Hơi cấp I) trong thiết bị phối trộn (Ejector) hơi tái nén sau khi phối trộn với hơi cấp I có được áp suất khoảng 1,8 kg/cm2, hơi này được đưa trở lại nồi húp lông hoá để gia nhiệt cho dịch đường. Nước rửa hơi sau khi thực hiện quá trình rửa hơi xong có nhiệt độ là 1000C sau khi đi qua thiết bị tách cặn, sẽ được trao đổi nhiệt với nước nóng 800C để có nước nóng 990C đưa về tank tích trữ năng lượng và hạ nhiệt độ xuống còn 900C sau đó quay trở lại tháp rửa hơi để thực hiện quá trình rửa hơi. Nước ngưng trong quá trình rửa hơi và lượng nước nằm lại trong tháp rửa trước mỗi lần rửa hơi sẽ được gia nhiệt cho nước thường có nhiệt độ 23,60C để có nước nóng 800C đưa về tank chứa nước nóng trước khi được thải bỏ ra cống ở nhiệt độ khoảng 350C. Thông thường trong thực tế sản xuất cho thấy, các ống trao đổi nhiệt được chế tạo từ ống F52. Khi sử dụng các ống này, thiết bị tránh được hiện tượng bám cháy trên bề mặt ống nhưng tốc độ sôi, tốc độ tuần hoàn rất chậm. Để tăng khả năng tuần hoàn và tốc độ sôi, và để tận dụng hiệu quả hệ thống thiết bị tiết kiệm năng lượng nên ta đã thay thế các ống F52 bằng các ống F38. Để tránh hiện tượng bám cháy thành trong ống, nên ta cần phải lắp đặt thêm một bộ gia nhiệt dịch trước khi đưa vào nồi hup lông hóa. Dịch đường được gia nhiệt trong thiết bị gia nhiệt dịch để nâng nhiệt độ của dịch từ 760C lên 950C bằng nước nóng 990C từ tank tích trữ năng lượng, sau khi gia nhiệt nước nóng có nhiệt độ là 800C sẽ được đưa về phần đáy của tank tích trữ năng lượng. 3.2 Tính và chọn các thiết bị của hệ thống tiết kiệm năng lượng 3.2.1 Tính và chọn cụm thiết bị gia nhiệt cho dịch trước đun hoa Nhiệm vụ: Như đã nói ở trên, khi lựa chọn giải pháp tái nén hơi tuần hoàn ở nồi hoa, chúng ta cần có tốc độ sôi nhanh và ổn định. Vì vây, chùm ống trao đổi nhiệt đã được thay ổi từ loại ống F52 thông thường xuống đường kính ống F38 để dịch luân chuyển trong ống nhanh hơn. Tuy nhiên, việc thay đổi này có thể dẫn đến việc bám cháy trên thành trong của ống. Để khăc phục hiện tượng này, cần phải thiết kế bổ sung cho hệ thống thiết bị một bộ gia nhiệt dịch trước khi vào nồi hoa. Thiết bị này có tác dụng nâng nhiệt độ dịch lên tới 95OC. Vì vậy, ngay sau khi tiếp xúc với bộ gia nhiệt trung tâm, dịch đạt đến trạng thái sôi rất nhanh làm quá trình lưu chuyển trong ống diễn ra mạnh mẽ. 3.2.2 Tính và chọn các thiết bị cho cụm trao đổi nhiệt nước ngưng Thông thường, tại nhà máy bia, nước ngưng tại thiết bị gia nhiệt được thu hồi về lò hơi để tiết kiệm năng lượng nhiệt và xử lý nước. Do tính toán cho trường hợp tận dụng, tái nén hơi cấp vào nồi húp lông hóa nên nước ngưng từ nồi húp lông hóa có độ tinh khiết không cao. Mặt khác, do tái nén hơi nên chỉ bổ sung một phần hơi từ lò hơi. Vì vậy, trong hệ thống này, ta không tuần hoàn nước ngưng trực tiếp về lò hơi mà thải bỏ. Để tận dụng thu hồi nhiệt, trước khi thải bỏ, cho nước ngưng trao đổi nhiệt với nước cấp có nhiệt độ thường của nhà máy để có nước nóng cho quá trình gia nhiệt dịch vừa nêu ở trên Do có sự thay đổi về quá trình cấp nhiệt tại nồi húp lông hóa nên tổn thất nhiệt tại nồi húp lông hóa cũng thay đổi. Theo cách tính tương tự như chương 2, ta tính được các tổn thất năng lượng cho nồi húp lông hóa theo bảng 3-1 và xây dựng được biểu đồ phân bố tổn thất nhiệt tại nồi húp lông hóa khi áp dụng giải pháp tiết kiệm năng lượng theo hình 3-1. Tính toán, chọn thiết bị trao đổi nhiệt tấm bản cho nước ngưng Tham khảo tài liệu kỹ thuật của ejector do hãng GEA Jet pump (CHLB Đức) thì với áp suất hơi thứ cấp là 1 kg/cm2 và hơi cấp I là 10 kg/c m2, áp suất hơi đầu ra của ejector thường vào khoảng 1,6 đến 1,8 kg/c m2. Vậy tạm tính với áp suất hơi đầu ra là 1,8 kg/c m2. Giá trị này sẽ được kiểm tra lại khi chọn ejector. Theo tính toán trên đây, lượng nhiệt cần thiết cấp cho nồi hoa trong toàn bộ quá trình là: Qtổn thất = 8601796 kJ. Nhiệt lượng này được cấp bởi hơi nước bão hòa ở áp suất 1,8 kg/c m2 và nhiệt độ nước ngưng tụ ra khỏi thiết bị là 1050C (bằng nhiệt độ sôi của dịch). Theo đó, các thông số vật lý của nước và hơi nước là: - Nhiệt độ hơi nước bão hòa khô ở áp suất phơi=1,8 kg/c m2: thơi =116,90C. - Nhiệt ẩn hóa hơi của nước bão hòa ở nhiệt độ 116,90C là: r = 2211 kJ/kg. - Entanpi của nước bão hòa ở nhiệt độ 116,90C là: i1 = 490,7 kJ/kg. - Entanpi của nước bão hòa ở nhiệt độ 1050C là: i2 = 439,4 kJ/kg. Công suất nhiệt của thiết bị là: Q = = 218 (kW) = 218000 (W). Lượng nhiệt mà nước truyền cho dịch được tính theo công thức: Q = k.F.∆t, [W]. Trong đó: k: là hệ số truyền nhiệt, [W/ m2K]. F: là diện tích truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt, [m2]. ∆t: là độ chênh nhiệt độ trung bình giữa nước và dịch, [K]. Hệ số truyền nhiệt k được chọn dựa vào các thông số sau: lưu lượng môi chất, nhiệt độ môi chất vào, ra... Theo catalogue của nhà sản xuất chọn k = 6371,3 W/m2K. Vậy diện tích truyền nhiệt của thiết bị là: F = = 2,61 m2. Từ các thông số trên ta chọn được thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm model Sigma M7NBL của hãng Schmitd có các thông số kỹ thuật đáp ứng được các yêu cầu trên. Tính toán, chọn kế tank chứa nước ngưng tuần hoàn Chọn bơm có lưu lượng (Qbơm) là 3m3/h tại cột áp 5m H2O. Do nước ngưng được bơm tuần hoàn, nên tank chứa không cần có kích thước lớn. Lượng nước sẽ được tự động xả ra cống nhờ van điện từ điều khiển bằng báo mức. Do độ trễ lớn nhất của các thiêt bị tự động hóa thường nhỏ hơn 30 giây nên ta thiết kế tank trao đổi nhiệt nước ngưng đảm bảo chứa được 1 phút lượng dịch cấp cho bơm. Thể tích chứa nước trong tank tuần hoàn nước ngưng là: 3.2.3 Tính và chọn thiét bị cho cụm thiết bị rửa hơi Chọn loại thiết bị rửa hơi và trao đổi nhiệt hỗn hợp kiểu tưới. Hơi đi vào được chuyển động qua lớp đệm bằng vòng pala thép không gỉ đường kính 25mm, dày 3mm có diện tích bề mặt riêng là 200 m2/m3 và khối lượng riêng 530 kg/ m3. Tại đó hơi trao đổi nhiệt với nước xối ngược chiều và trao đổi nhiệt với nước để hạ nhiệt độ từ 1050C xuống còn 1000C và một phần ngưng tụ. Tổng năng suất trao đổi nhiệt tại thiết bị rửa hơi (Qtháp rửa) và thiết bị thu hồi nhiệt nước ngưng (Qnước ngưng) bằng lượng nhiệt dùng để gia nhiệt nước nóng từ 800C lên 990C (Qnước 99) có kể đến tổn thất. Do đó, có thể tính được nhiệt lượng và lưu lượng nước cần thiết cấp cho thiết bị rửa hơi dựa trên các thông số của nước và hơi bão hòa có tính tới tổn thất (bằng 5%): Qtháp rửa = (Qnước 99 - Qnước ngưng).1,05 (3-7) Theo các số liệu tính toán ở phần trước ta có Qtháp rửa = (2643215- 1112268). 1,05 = 1607494 (kJ) Tại tháp rửa đồng thời diễn ra 2 quá trình trao đổi nhiệt: quá trình ngưng tụ hơi nước ở nhiệt độ 1050C và quá trình hạ nhiệt độ của nước từ 1050C xuống còn 900C bằng cách bơm lượng nước đã ngưng tụ trao đổi nhiệt với nước nóng 800C để tạo ra nước 990C. Lượng hơi ngưng tụ tại tháp rửa hơi được tính bằng: Ghơingưng= = 709 kg. (4-8) Trong đó: - Nhiệt ẩn hóa hơi của nước bão hòa ở nhiệt độ 1050C là: r =2244 kJ/kg. - Entanpi của nước bão hòa ở nhiệt độ 1050C là: i1 = 439,4 kJ/kg. - Entanpi của nước bão hòa ở nhiệt độ 1000C là: i2 = 417,4 kJ/kg. Nhiệt lượng do ngưng tụ là: QN = Ghơi ngưng. r = 709.2244 = 1591886 (kJ). Nhiệt lượng do hạ nhiệt hơi là: Qhạnhiệt = Ghơingưng.(i1-i2) = 709.(439,4-417,4) = 15608 (kJ). Tính toán, chọn tháp rửa hơi Thông số quan trọng nhất của tháp rửa là diện tích truyền nhiệt của khối đệm. Như đã tính ở trên, lượng nhiệt trao đổi tại tháp gồm 2 thành phần, nhiệt ngưng tụ và nhiệt hạ nhiệt. Do quá trình ngưng tụ có hệ số tỏa nhiệt rất lớn (tới hàng nghìn W/m2K) trong khi hệ số tỏa nhiệt đối lưu chỉ nhỏ hơn 20 W/ m2K. Do đó, khi tính toán diện tích trao đổi nhiệt cho thiết bị rửa hơi ta chỉ cần tính toán cho lượng nhiệt trao đổi nhiệt đối lưu, đối với lượng nhiệt trao đổi nhiệt do ngưng tụ, bản thân việc lấy dự phòng 5% tổn thất cũng đảm bảo hoạt động ổn định của thiết bị. Diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị được tính theo công thức: F = = 274,6 (m2). (3-9 Trong đó: Hiệu nhiệt độ trung bình: ∆t == 7,7 0C Hệ số truyền nhiệt k = 7,35 (W/m2K). Ta có diện tích bề mặt riêng của đệm kim loại pala là 200 m2/m3 Do đó, thể tích khối đệm là: Vđệm = = 1,37 (m3). (3-10) Diện tích mặt cắt thân tháp: S = = 0,71(m2). (3-11) Với vhơi = 1,3 m/s là vận tốc dòng khí qua tháp và thời gian hoạt động của thiết bị là 70 phút. Đường kính tháp: D = = 0,95; m. (3-12) Chiều cao khối đệm: h = = 1,94; m. (3-13) Tính, chọn thiết bị trao đổi nhiệt tấm bản cho nước ngưng Theo tính toán trên đây, lượng nhiệt trao đổi tại thiết bị là: Qtháp rửa=1607494 (kJ). Tại thiết bị trao đổi nhiệt này, nhiệt lượng do nước rửa hơi thải ra sẽ gia nhiệt cho nước 800C để có nước nóng 990C đưa về tank trữ nhiệt đồng thời giảm nhiệt độ từ 1000C xuống còn 900C. Do đó, môi chất có nhiệt độ thấp là nước có nhiệt độ đầu vào và ra là: tnl1 = 800C và tnl2 = 990C. Môi chất có nhiệt độ cao là nước có nhiệt độ đầu vào là tnn1=1000C sẽ được làm lạnh xuống còn tnn2 = 900C. Các thông số vật lý khác tìm được: - Nhiệt dung riêng của nước bão hòa tại nhiệt độ trung bình 950C là: 4,22 kJ/kgK. - Khối lượng riêng của nước bão hòa tại nhiệt độ trung bình 950C là: 959 kg/m3. - Nhiệt dung riêng của nước bão hòa tại nhiệt độ trung bình 89,50C là: 4,195 kJ/kgK. - Khối lượng riêng của nước bão hòa tại nhiệt độ trung bình 89,50C là: 959 kg/m3. Theo công thức (3-2) ta tính được lượng nước được gia nhiệt tại thiết bị: Gnước 90 == 20049 (kg) Theo công thức (3-3) ta tính được = 3,910C Công suất nhiệt của thiết bị là: Q = = 383 (kW) = 383000 (W). Hệ số truyền nhiệt k được chọn dựa vào các thông số sau: lưu lượng môi chất, nhiệt độ môi chất vào/ra... Theo catalogue của nhà sản xuất chọn k = 5495W/m2K Vậy diện tích truyền nhiệt là: F = = 17,81(m2). Chọn thiết bị trao đổi nhiệt tấm bản của hãng Schmitd model Sigma26NBL có các thông số kỹ thuật phù hợp. Tính, chọn thiết bị trao đổi nhiệt tấm bản cho nước cấp hai Lượng nước nóng trao đổi nhiệt tại thiết bị này bao gồm lượng nước ngưng tụ tại tháp rửa hơi và lượng nước nóng lấy từ tank nước nóng chứa trong đáy tháp trước mỗi mẻ nấu. Theo thiết kế tháp, chiều cao cột lỏng trong tháp là 500mm, tương đương với thể tích khối nước tại đáy tháp là 0,354 m3 nước có khối lượng riêng là 959 (kg/ m3). 3.2.4 Tính và chọn thùng tích trữ năng lượng Lượng nước cần gia nhiệt cho dịch trước khi vào nồi húp lông hóa là 35,1m3. Do nước tại tank tích trữ năng lượng có sự phân tầng nhiệt độ nước, nước nóng 990C sẽ nằm ở phần trên của tank và dưới đáy tank nước có nhiệt độ 800C. Do đó, thể tích nước 990C chỉ chiếm khoảng 50% tổng thể tích tank tích trữ năng lượng. Vậy thể tích tank tích trữ năng lượng là: Vtank = 2.35,1 = 70,2 m3 Các kích thước cơ bản của tank như sau: - Đường kính trong: d1 = 3000 mm - Chiều cao thùng: h = 9500 mm. - Bảo ôn bằng bông thuỷ tinh dày: δ2 = 100 mm. - Lớp bảo ôn bọc tôn inox dày: δ3 = 0,5 mm. 3.2.5 Tính, chọn máy nén hơi và thiết bị phối trộn hơi (Ejector) Chọn máy nén hơi Như đã phân tích ở trên, áp suất hơi bão hòa vào máy nén là 1 kg/cm2. và nhiệt độ là 1000C. Sau khi ra khỏi máy nén, áp suất hơi có giá trị bằng 1,6 kg/cm2. Các thông số khác của hơi có giá trị như sau: - Entanpi của hơi nước bão hòa tại nhiệt độ 100 0C là: i1 = 2675 kJ/kg. - Entropi hơi nước bão hòa tại nhiệt độ 100 0C là: s1 = 7,360 kJ/kgK. Giả thiết quá trình nén là quá trình đẳng entropi, theo các bảng và đồ thị, ta có các thông số trạng thái của hơi sau khi nén là: - áp suất cuối quá trình nén là: p2 = 1,6 kg/cm2. - Nhiệt độ hơi cuối quá trình nén là: t2 = 145,480C. - Entropi hơi nước quá nhiệt là: s2 = 7,360 kJ/kgK. - Entanpi của hơi nước quá nhiệt tại nhiệt độ 145,480C là: i’2 = 2765 kJ/kg. - Thể tích riêng: v = 1,194 m3/kg. Từ các thông số nêu trên, ta có thể tính được công nén riêng lý thuyết của máy nén: l = i’2 - i1 = 2765 - 2675 = 90 kJ/kg. (3-17) Công nén lý thuyết của quá trình nén đoạn nhiệt: L = l.Ghơi nén = 90.1989,3 = 179035,2 (kJ). (3-18) Trong đó: Ghơi nén : Là khối lượng hơi đi được nén qua máy nén (chính bằng lượng hơi đi ra khỏi tháp rửa hơi) và bằng 1989 kg. Công suất máy nén hơi thực tế tính cho cả quá trình nén kéo dài 70 phút sôi dịch húp lông hóa: Ptt = = 53,3 (kW). (3-19) Các thông số trên hoàn toàn phù hợp với yêu cầu đề ra của hệ thống. Lượng nhiệt do 1989 kg hơi thứ cấp quá nhiệt ở áp suất 1,6 kg/cm2 cấp cho nồi húp lông hóa khi ngưng tụ tại nhiệt độ 1050C là: Qhơi nén = Ghơi nén.(i’2 - i3) = 1989.(2765 - 439,4) = 4626268 (kJ). (3-20) Nhiệt lượng hơi nén cấp I cần cung cấp cho nồi húp long hóa là: Qcấp I = Qtổn thất - Qhơi nén = 8601796 - 4626268 = 3975528 (kJ). (3-21) Trong đó: i 3 là entanpi của nước ngưng tụ tại nồi húp lông hóa ở nhiệt độ 1500C. Công suất nhiệt do lượng hơi nén thứ cấp tạo ra là: = 1102 (kW) (3-22) Chọn Ejector ( thiết bị phối trộn hơi) Lượng hơi cấp một được cấp từ lò hơi có áp suất hơi bão hòa là 10 kg/cm2. Trong điều kiện vận hành thực tế, để đảm bảo áp suất làm việc an toàn cho thiết bị, áp suất cấp vào nồi nấu thường đi qua trạm giảm áp và có áp suất 4 kg/cm2. Tuy nhiên, trong trường hợp này, hơi cấp một và hơi thứ cấp sau khi nén cần được phối trộn với nhau để có một lượng hơi bão hòa ở áp suất ổn định trước khi được cấp trở lại nồi húp lông hóa. Lượng hơi cấp một cấp vào nồi húp lông hóa được tính theo công thức: Ghơibs = Ghơi - Ghơi nén = 3802 - 1989 = 1813 (kg). (3-23) Từ đó ta tính được các thông số lưu lượng: = 1554 (kg/h). (3-24) = 3259 (kg/h). (3-25) Từ các thông số trên và yêu cầu áp suất hơi thứ cấp Phơi nén = 1,6 kg/cm2, áp suất đầu ra Pra = 1,8 kg/cm2, theo catalogue thiết bị của hãng GEA jet pump GmbH (CHLB Đức) ta chọn được ejector dạng máy nén nhiệt (thermo compressor) chế tạo bằng vật liệu Inox 316L đảm bảo các yêu cầu trên. Cũng theo catalogue này, đường kính miệng cấp hơi cấp một là: dcấp = 0,16. (3-26) Đồng thời theo đồ thị tra được dcấp theo áp suất đầu ra và lưu lượng hơi là: dcấp = 65 mm. Do đó, áp suất hơi cấp nén cấp I cấp cho ejector là: Phơibs = 1000. = 9,32 (kg/cm2) Vậy áp suất hơi vào cấp I vào ejector là: 9,32 kg/cm2. Công suất này phù hợp với thực tế tại nhà máy nơi có nguồn hơi cấp ra khỏi lò hơi là 10 kg/cm2. Các kích thước cơ bản của thiết bị: - Đường kính cấp hơi cấp I: dcấp = 65 mm. - Chiều dài: 653 mm. - Chiều dài đoạn ống hỗn hợp: 523 mm. - Khối lượng: 10 kg. 3.2.6 Tính và chọn các loại bơm cho hệ thống thiết bị Ngoài 02 bơm lắp trực tiếp trên cụm thiết bị rửa hơi và thiết bị trao đổi nhiệt nước ngưng đã chọn ở trên, theo cách tính tương tự, dựa vào các tính toán đã nêu ở phần trên, ta có thể chọn được một số bơm nước lắp đặt cho hệ thống bao gồm: Bơm nước cấp nước nóng 800C vào thiết bị rửa hơi - Công suất động cơ điện: 3,7 kW (có kèm theo biến tần). - Cột áp đẩy của bơm: 21 mH2O. - Lưu lượng bơm: 23 m3/h. - Nhiệt độ làm việc: 800C. Bơm nước cấp nước nóng 990C gia nhiệt dịch - Công suất động cơ điện: 5,5 kW (có kèm theo biến tần). - Cột áp đẩy của bơm: 20 mH2O. - Lưu lượng bơm: 52 m3/h. - Nhiệt độ làm việc: 990C. Bơm CIP vệ sinh thiết bị gia nhiệt dịch - Công suất động cơ điện: 2,2 kW. - Cột áp đẩy của bơm: 10 mH2O. - Lưu lượng bơm: 42 m3/h. - Nhiệt độ làm việc: 800C. CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG TRONG PHÂN XƯỞNG NẤU CỦA CÁC NHÀ MÁY BIA KHI ÁP DỤNG VÀO THỰC TẾ SẢN XUẤT Như đã trình bày ở phần trên, tất cả các số liệu tính toán đều được lấy theo đúng số liệu thực tế của nhà máy bia Thanh Hoá. Trong phần trước chúng tôi đã tính toán, phân tích và lựa chọn giải pháp tiết kiệm năng lượng sử dụng trong phân xưởng nấu của nhà máy bia. Kết quả thu được cho thấy giải pháp sử dụng hơi tái nén tuần hoàn ở nồi hoa để tiết kiệm năng lượng cho phân xưởng nấu là phù hợp với điều kiện ở Việt Nam và có khả năng áp dụng vào thực tế sản xuất. Trên cơ sở đó đã tính toán và lựa chọn các thiết bị trong hệ thống tiết kiệm năng lượng có thể lắp đặt tích hợp cho dây chuyền nấu với năng suất 30 m3 dịch/ 1 mẻ nấu, tương đương với năng suất 60 triệu lít bia/ năm. Dưới đây chúng tôi tiến hành dánh giá tính khả thi của hệ thống tiết kiệm năng lượng nói trên khi dưa vào vận hành thực tế 4.1 Hiệu quả kinh tế do hệ thống thiết bị mang lại 4.1.1 Chi phí đầu tư và khả năng thu hồi vốn Chi phí đầu tư Chi phí đầu tư cho thiết kế, chế tạo và lắp đặt hệ thống thiết bị tại công trình được thống kê trong bảng 4-1. Bảng 4- 1 Chi phí đầu tư cho hệ thống tiết kiệm năng lượng sử dụng trong phân xưởng nấu của nhà máy bia Thanh Hoá ( Nguồn: Công ty cơ nhiệt Điện Lạnh Bách Khoa Hà Nội- POLYCO) TT Tên thiết bị Đơn Vị Số lượng Đơn giá (VNĐ) Thành tiền (VNĐ) 1 Máy nén hơi Model: STM190L Cái 1 6.437.398.000 6.437.398.000 2 Tank tích trữ năng lượng 71m3 Tank 1 480.624.000 480.624.000 3 Thiết bị làm kín nước Cái 1 74.938.625 74.938.625 4 Tháp rửa hơi Hệ 1 378.302.145 378.302.145 5 Thiết bị trao đổi nhiệt nước ngưng Hệ 1 131.145.500 131.145.500 6 TB gia nhiệt dịch đường trước khi vào nồi hoa Hệ 1 400.985.000 400.985.000 7 Bơm Hệ 1 15.500.000 15.500.000 8 Nhân công, máy thi công, lắp đặt Hệ 1 108.500.000 108.500.000 Tổng 8.027.393.270 Ngân sách tiết kiệm được khi áp dụng hệ nén hơi thu hồi từ nồi đun hoa Hiệu quả của hệ thống thiết bị tiết kiệm năng lượng cho nhà nấu được tính bằng nhiệt lượng tiết kiệm được do áp dụng biện pháp tiết kiệm năng lượng cho hệ nấu là: Qthu = QΣtổn thất - Qcấp I = 10479170- 3975527 = 6503643 (kJ/mẻ) (4-1) Hiệu suất tiết kiệm năng lượng có thể tính theo công thức: = 62,06% (4-2) Nhiệt lượng tiết kiệm được tính cho một ngày (nấu 8 mẻ): Qthu/ngày = 8.6503643 = 52029144 (kJ/ngày) (4-3) Như vậy sau khi áp dụng giải pháp sử dụng hơi tái nén tuần hoàn ở nồi húp lông hoá để tiết kiệm năng lượng, chưa kể tới hiệu quả của việc giảm phát thải khí CO2 ra môi trường, lượng nhiệt cấp cho nồi hoa đã giảm tới trên 62%, mỗi ngày tiết kiệm được 52029144 kJ. Thông thường, hiệu suất của lò hơi (ηl) tại Việt Nam khoảng từ 60% đến 80%, trong tính toán lấy (ηl=75%) giả thiết hiệu suất do hơi truyền tải từ lò hơi tới thiết bị dùng nhiệt (η) là 95%. Theo (4-3) toàn bộ lượng nhiệt tiết kiệm được từ giải pháp trên là 52029144(kJ/ngày). Lượng nhiên liệu ( quy ra dầu FO) (Gdầu) để sản xuất ra lượng nhiệt trên là: Gdầu = = 1710 (kg/ngày) (4 - 4) Trong đó: - η1, η: là hiệu suất của lò hơi và hiệu suất truyền tải. - = 42700 kJ/kg, nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy 1kg dầu FO. Thời gian hoạt động của lò hơi là 312 ngày/1 năm. Như vậy, lượng dầu tiết kiệm được trong một năm (Gdầu/năm) là: Gdầu/năm = 1710. 312 = 533551 (kg/năm) (4-5) Dầu là một mặt hàng nhạy cảm, giá cả luôn biến động không ngừng. Tuy nhiên để thuận tiện cho việc tính toán, giả thiết giá thành 1 kg dầu FO là 3500 VNĐ thì 1 năm tiết kiệm được một lượng tiền (T) là: T = 3500.533551,2 = 1867429200 VNĐ = 1,867 tỷ đồng (4-6) Thời gian hoàn vốn Theo tính toán ở trên thì tổng chi phí đầu tư cho hệ thống tái nén hơi thu hồi ở nồi hoa là: D = 8.027.393.270 VND Giả thiết số tiền đầu tư là tiền vay ngân hàng với lãi suất ưu đãi 10%/năm, giả thiết giá trị đồng tiền không thay đổi theo thời gian, thời gian hoàn vốn là: t = = = 7,54 (năm) Như vậy sau hơn 7 năm thì lượng tiền đầu tư sẽ khấu hao hết. 4.1.2 Thực trạng sản xuất và tiêu thụ năng lượng tại nhà máy bia Thanh Hoá lúc trước và sau khi hệ thống tiết kiệm năng lượng đưa vào hoạt động Hiện tại, ở công ty Cổ Phần Bia Thanh Hoá đang vận hành các hệ thống tiết kiệm năng lượng trong chương trình nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong nhà máy bia do tổ chức NEDO Nhật Bản phối hợp với phía Việt Nam thực hiện là: + Hệ nén hơi thu hồi từ nồi đun hoa (như đã trình bày kĩ ở phần trên) + Hệ làm lạnh cấp và hệ làm đá lạnh + Hệ bơm nhiệt lắp cho máy thanh trùng + Và hiện đang chuẩn bị đưa vào vận hành hệ thống xử lý nước thải và lò hơi khí sinh học. Tuy nhiên trong luận văn này chỉ xin đi sâu vào tìm hiểu, đánh giá tính khả thi của hệ thống tái nén hơi thu hồi ở nồi hoa. Dứơi đây ta tiến hành tìm hiểu tình hình sử dụng năng lượng tại công ty CP Bia Thanh Hoá trong các năm + 2004 và 2005 khi hệ thống tiết kiệm năng lượng chưa đưa vào vận hành + 3 tháng đầu năm năm 2006 khi hệ thống nén hơi thu hồi từ nồi đun hoa chính thức đi vào hoạt động Theo số liệu thống kế tại nhà máy bia Thanh Hoá, sản lượng bia và tiêu thụ năng lượng trong năm 2004, 2005 ( khi chưa vận hành hệ thống tiết kiệm năng lượng) và 3 tháng đầu năm 2006 ( khi hệ thống tiết kiệm năng lượng được đưa vào vận hành) như sau: Bảng 4-2 Sản lượng bia và tình hình tiêu thụ năng lượng trước và sau khi vận hành hệ thống tiết kiệm năng lượng ( Nguồn: Công Ty Cổ Phần bia Thanh Hoá) Đơn vị Năm 2004 Năm 2005 3 tháng đầu năm 2006 Điện kWh/hl 7,9 7,5 7,8 Nước Lít nước/hl bia 980 985 932 Than kg/hl bia 5,64 5,54 4,42 Dầu Diezel lít dầu 45247 50238 5300 Tổng sản lượng bia Triệu lít 52,52 59,33 14,68 4.2 Hiệu quả về việc bảo vệ môi trường Ngoài hiệu quả về mặt kinh tế mà hệ thống tiết kiệm năng lượng mang lại như ta đã tính toán chi tiết ở phần trên thì hệ thống tiết kiệm năng lượng còn góp phần giảm thải ô nhiễm và bảo vệ môi trường, cụ thể là: - Giảm được lượng hơi thải có nhiệt độ và hàm lượng BOD cao phát thải ra môi trường từ nồi húp lông hoá do ta đã thu lại lượng hơi này và tái sử dụng - Giảm được khí thải CO2 phát thải ra môi trường do tiết kiệm được lượng nhiên liêu dùng để đốt lò hơi. Cứ 1 kg dầu FO khi cháy sinh ra 3 kg CO2. Do đó lượng phát thải CO2 ra môi trường trong một ngày là: GCO2 = 3. 1710 = 5130 (kg CO2/ngày). Thể tích khí CO2 (ở điều kiện tiêu chuẩn) là: VCO2 = = 2612 (m3CO2/ngày). = 2612. 312 = 814944 (m3 CO2/năm) 4.3 Tác động của hệ thống tiết kiệm năng lượng lên chất lượng của dịch đường Bên cạnh những lợi ích rất lớn về mặt kinh tế cũng như bảo vệ môi trường của hệ thống tiết kiệm năng lượng nói trên mang lại thì một vấn đề rất quan trọng đặt ra đó là: “Liệu hệ thống này có gây ảnh hưởng gì tới chất lượng của dịch đường hay không ?...” Tuy do điều kiện không cho phép chúng tôi tiến hành phân tích từng chỉ tiêu cụ thể về chất lượng của dịch đường được nấu từ hệ thống nấu không có sử dụng hệ thống tiết kiệm năng lượng và dịch đường được nấu cũng từ hệ thống nấu đó mà có sử dụng đến hệ thống tiết kiệm năng lượng. Nhưng sau khi nghiên cứu, phân tích kĩ lưỡng cũng như theo các số liệu do nhà máy cung cấp, chúng tôi có thể khẳng định rằng: “ Chất lượng của dịch đường sau khi nấu ra hầu như không chịu ảnh hưởng bởi hệ thống tiết kiệm năng lượng nói trên” Không những thế, do thiết bị gia nhiệt trung tâm ở nồi húp lông hoá đã được cải tiến và dịch đường trước khi đi vào nồi húp lông hoá đã được gia nhiệt lên gần với nhiệt đọ sôi ( 950C) nên thời gian đun sôi dịch đường, cường độ sôi của dịch đường dễ dàng đạt được và ổn định. 4.4 Nhận xét Theo phân tích ở phần trên, chúng ta có thể nhận thấy rằng bằng cách tác động tới một số khâu, một số thiết bị trong nhà máy, có nhiều giải pháp có thể tiết kiệm được năng lượng trong nhà máy bia. Các giải pháp này có thể thực hiện đơn lẻ nhưng để có hiệu quả cao, chúng ta nên kết hợp nhiều giải pháp để có một giải pháp tiết kiệm năng lượng tổng thể cho nhà máy. Cùng với các biện pháp này, còn có thể áp dụng các phương pháp quản lý, vận chuyển, hợp lý hóa quá trình sản xuất như lựa chọn tối ưu hóa các thiết bị vận chuyển, xuất, nhập nguyên liệu để tiết kiệm nguyên, nhiên, vật liệu; nâng cao mức độ tự động hóa để giảm chi phí nhân công và chi phí quản lý; bố trí dây chuyền sản xuất hợp lý, liên kết giữa các phòng ban, các tổ sản xuất tốt để giảm chi phí vận chuyển, đầu tư cơ sở hạ tầng, giảm tổn thất trong vận chuyển và giảm nguy cơ hư hỏng thiết bị. Với giải pháp đề ra là sử dụng hơi tái nén tuần hoàn ở nồi hoa để tiết kiệm năng lượng cho phân xưởng nấu của nhà máy bia, sau khi áp dụng vào trong thực tế đã mang lại một số lợi ích rất lớn như: - Tận dụng được toàn bộ lượng nhiệt thoát ra tại nồi húp lông hoá (nồi hoa). - Giảm lượng nhiên liệu sử dụng cho nhà máy tương đương với 553551 kgdầu/năm. - Giảm phát thải độc hại ra môi trường như BOD trong hơi ẩm, giảm lượng CO2 tới 814944 m3 CO2/năm. - Các thiết bị có mức độ tự động hóa cao, tất cả các bơm, động cơ điện đều có biến tần nên tiết kiệm rất nhiều chi phí vận hành. - Cũng do các thiết bị có mức độ tự động hóa cao nên việc vận hành trở nên đơn giản, giảm chi phí nhân công vận hành và tránh được các sự cố đáng tiếc có thể xảy ra cho hệ thống. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN Như vậy, từ nhu cầu cấp thiết trong giai đoạn hiên nay đối với ngành công nghiệp sản xuất bia của Việt Nam là phải tiến hành nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong nhà máy bia. Sau một thời gian tiến hành nghiên cứu, tính toán và phân tích những tổn thất trong các nhà máy bia ở Việt Nam, cùng với việc tham khảo những mô hình tiết kiêm năng lượng trong các nhà máy bia ở các nước có ngành công nghiệp sản xuất bia phát triển trên thế giới. Kết quả thu được cho thấy giải pháp sử dụng hơi tái nén tuần hoàn ở nồi hoa để tiết kiệm năng lượng cho phân xưởng nấu của nhà máy bia là phù hợp với điều kiện ở Việt Nam và có khả năng áp dụng vào thực tế sản xuất. Trên cơ sở đó đã tính toán và lựa chọn các thiết bị trong hệ thống tiết kiệm năng lượng có thể lắp đặt tích hợp cho dây chuyền nấu với năng suất 30 m3 dịch/ 1 mẻ nấu. Thực tế khi áp dụng giải pháp này tại công ty cổ phần bia Thanh Hoá đã cho thấy kết quả hết sức khả quan. Giảm tiêu hao năng lượng khoảng 10% khi giải pháp này thực hiên độc lập và có khả năng giảm được tới trên 30% tiêu hao năng lượng khi giải pháp này áp dụng cùng với các giải pháp tiết kiệm khác là: Hệ làm lạnh cấp và hệ làm đá lạnh, hệ bơm nhiệt lắp cho máy thanh trùng, hệ thống xử lý nước thải và lò hơi khí sinh học. Giải pháp đề ra không những tiết kiệm được năng lượng cho quá trình nấu mà còn giảm được một lượng lớn khí thải độc hại ra môi trường. Lượng nhiệt tổn thất do bay hơi trong quá trình húp lông hoá là rất lớn và đã được tận dụng một cách triệt để. Nếu kết quả này được áp dụng trên khắp cả nước với hơn 300 nhà máy bia như hiện nay, chúng ta sẽ tiết kiệm được một khối lượng nhiên liệu khổng lồ và giảm được rất nhiều khí thải độc hại ra môi trường. Mặc dù thời gian hoàn vốn tới hơn 7 năm không phải là thời gian hoàn vốn nhanh nhưng so với tuổi thọ của thiết bị trong ngành bia thông thường khoảng 20 năm thì đây là khoảng thời gian có thể chấp nhận được. Đặc biệt là trong hoàn cảnh hiện nay, khi giá dầu luôn có xu thế tăng và việc giảm phát thải các khí gây hiệu ứng nhà kính đang được quan tâm thì đây là dự án hoàn toàn khả thi và có độ tin cậy, đặc biệt đối với các dự án thực hiện theo hình thức mua bán quyền phát thải trong khuôn khổ nghị định thư Kioto. Các thông số vận hành ban đầu tại nhà máy bia Thanh Hoá cho thấy thiết bị hoạt động ổn định và bước đầu cho những kết quả đáng khích lệ. Hệ thống vẫn đang trong giai đoạn vận hành thử và căn chỉnh để đạt hiệu quả tối đa. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt Nguyễn Bin, (1992), Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất tập 1. Nhà Xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật. Nguyễn Bin, (1992), Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất tập 2. Nhà Xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật. Bộ công nghiệp (2004). Báo cáo “Về việc điều chỉnh, bổ sung Quy hoạch tổng thể phát triển nghành Bia – Rượu – Nước giải khát Việt Nam đến năm 2010” . Bùi Hải, Trần Thế Sơn, (1998), Bài tập nhiệt động truyền nhiệt và kỹ thuật lạnh. Nhà Xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật. Bùi Hải, Dương Đức Hồng, Hà Mạnh Thư (2001), Thiết bị trao đổi nhiệt. Nhà Xuất bản Khoa Học Kỹ Thuật. Hoàng Đình Hoà (1997), Công nghệ sản xuất malt và bia. Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật. Chu Văn Kính, Nguyễn Sĩ Mão, Phạm Lê Dần, Mai Thanh Hà Huế, Lê Đức Dũng (2001), “Nghiên cứu thiết kế chế tạo lò hơi công suất nhỏ hiệu suất cao”, Báo cáo tổng kết đề tài cấp bộ mã số B2001 - 28 -31. Nộp lưu chuyển cho Bộ Giáo Dục và Đào tạo (Việt Nam). Tháng 12/. Nguyễn Đức Lợi, Vũ Diễm Hương, Nguyễn Khắc Xương, (1998), Vật liệu kỹ thuật nhiệt. Nhà Xuất bản Giáo Dục. Đặng Quốc Phú, Trần Thế Sơn, Trần Văn Phú (1999), Truyền Nhiệt, Nhà xuất bản Giáo Dục. Tài liệu tiếng Anh Hans Dieter, Bachr (2000). Heat and mass tranfer. Springer – Verlag, Berlin. Wolfgang Kunze (1992). Technology Brewing and Malting. Volgel Fachbuch Vertag. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn Phó Giáo sư, Tiến sĩ Lê Thanh Mai, người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài này. Tôi xin trân trọng cảm ơn các Thầy cô giáo Viện Công nghệ sinh học- Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã nhịêt tình giúp đỡ tôi trong suốt khóa học cũng như trong thời gian tôi thực hiện đề tài tốt nghiệp cao học khóa 2004-2006. Tôi xin cảm ơn Viện công nghệ Sinh học - Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; Nhà máy bia Thanh Hoá; PGS. TS Đinh Văn Thuận Tổng Giám Đốc Công ty POLYCO, GS Nguyễn Thị Hiền và KS Phạm Ngọc Phiên đã hết lòng giúp đỡ. Cuối cùng, tôi xin được bày tỏ tình cảm và lòng biết ơn của mình tới gia đình và bạn bè, những người luôn bên cạnh tôi, giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Hà Nội, ,ngày 29 thàng 11 năm 2006 Tác giả Lê Viết Thắng ABSTRACT Tittle: “Study on designing the saving energy system for the equipment system of brewing house”. With the purpose of contributing to improve the statement of using energy at breweries and wishing the study’s result can be widely applied, especially in this period, which natural resource is more and more scarce. - Basic for choosing solution: The outgoing heat in the brewery system is higher from 30 – 40% of consuming energy in vessel (waste) The consuming heat inside VS – TTTH system is very high. In general, a brewery, which has power of 40 million lits/year demands around 700 m3 hot water, from 600C to 800C. Choosing solution Salvaging the steaming heat from vessels. Using heat pump to increase the output of equipments and salvaging the recorvery heat. - Evaluation the solution’s effect. BẢN TÓM TẮT LUẬN VĂN TÊN ĐỀ TÀI: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống tiết kiệm năng lượng cho hệ thống thiết bị nhà nấu bia” Với mong muốn góp phần cải thiện tình trạng sử dụng năng lượng tại các nhà máy bia và mong rằng kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy bia, nhất là trong thời kỳ năng lượng tự nhiên ngày càng khan hiếm. *Cơ sở lựa chọn giải pháp: Lượng nhiệt thải ra môi trường ở hệ nấu lớn tới 30 - 40% năng lượng tiêu thụ trong nồi Houblon (xả bỏ). Lượng nhiệt tiêu thụ tại hệ VS – TTTH rất lớn. Bình quân 1 nhà máy bia công suất 40 triệu lít/năm, một ngày cần khoảng 700 m3 nước có nhiệt độ từ 600C đến 800C. *Lựa chọn giải pháp: Tận dụng lượng nhiệt bay hơi tại nồi Houblon. Sử dụng bơm nhiệt nhiều cấp làm tăng hiệu suất thiết bị và tận dụng thu hồi nhiệt. *Đánh giá hiệu quả của giải pháp