飲料工藝熱水制備中冷凝水余熱的回收利用

曾哲泉

摘要：節能降耗是飲料企業可持續發展的基礎，通過技術改造實現配料過程中蒸汽冷凝水余熱回收利用，實現節能降耗的目的。

關鍵詞：技術改造 余熱回收 節能降耗

引言

蒸汽作為一種熱交換介質，在食品飲料的生產中廣泛應用，隨著經濟的發展和人民生活水平的不斷提高，各類飲料與乳制品消費日益增長，生產線對蒸汽的需求量也大幅增長;通過統計分析發現在食品飲料的生產過程中，配料過程中工藝熱水的制備、UHT殺菌、利樂巴殺機中蒸汽使用量占比最大，因此這三個環節是企業節能降耗改造的重點方向。

1蒸汽冷凝水現狀分析

公司配料中心工藝熱水每班正常配料需（85～90）℃工藝熱水的用量約70噸左右，加上灌裝車間清洗走酸堿和熱水共需用熱水量大約85噸。因為工藝熱水的使用，導致加熱器幾乎整天都處于工作狀態下，蒸汽耗用非常之大。蒸汽冷凝水是直接排放的沒有充分利用其余熱。

工藝熱水制備中熱交換器采用的是管殼式換熱器。該類換熱器是以封閉在殼體管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器，冷流體（需制備的工藝熱水）走管內，熱流體（蒸汽）走管外，熱流體通過間壁換熱，熱交換介質為蒸汽，產生的冷凝水直接排放。

冷凝水是一種高溫水，當蒸汽釋放其蒸發潛熱轉變為凝結水狀態時，大約還有近20%～25%左右的熱能保留在冷凝水中，因為在管殼式換熱器中進行熱交換是在5bar的工作壓力下進行的，也即疏水閥前的冷凝水壓力為5bar，在排放至大氣壓下時會出現閃蒸現象，而且該部分的熱值也相當可觀。

2余熱回收裝置的設計

2.1 管殼式換熱器熱量消耗計算

列管式換熱器的換熱效率大致在92%，按正常生產配料系統每天需170噸85℃熱水，取水處理送過來的需加熱純水溫度為20℃（冬夏平均值）。

外供蒸汽為12bar、溫度為180℃的過熱不飽和蒸汽，通過減壓閥減壓到4bar以下進列管式換熱器使用（此時表壓4bar換熱管內的實際絕對壓力為5.033kg/cm2）。

此時參與熱交換的是絕對壓力為5.033kg/cm2下的蒸汽蒸發潛熱。

查表壓4bar溫度151.36℃條件下：蒸發潛熱r為503.71kcal/kg（也即2106.51522kJ/kg）

170噸工藝熱水從20℃加熱到85℃所吸收的熱量為Q1值，換算成熱力學溫度后為從293 K加熱到358 K，工藝熱水側平均溫度為為325.5 K，該溫度下水的比熱容C = 4.17735 kJ/（kg·K）

Q1=170×1000×（358-293） ×4.17735=46159717.5kJ

取管殼式換熱器的熱效率η為92%，則

實際需耗用的蒸汽量為：

Q2= Q1/η/r=46159717.5 /0.92/2106.51522=23818.3kg

也就是說理論上消耗了23818.3kg蒸汽。

此時在換熱器內的冷凝水處于絕對壓力5.033kg/cm2下，其水顯熱為152.386kcal/kg。

如果將這些熱量充分利用起來，節能效果將相當可觀。

2.2 熱回收裝置設計

如圖工作原理：首先將熱水加熱器的冷凝水引入蓄熱水箱中并沒入水面下，確保冷凝水的二次顯熱也能利用，如果配料間布局合理的話也可將UHT的冷凝水、CIP站加熱器冷凝水等引入蓄熱水箱。在熱水罐補水管道上加兩組換熱器，將回收的冷凝水通過換熱器與常溫態下的純水進行熱交換，作為熱水罐補充純水預熱用。

該余熱回收改造裝置所需設備及零部件包括：

1）管式換熱管-昕皓_129.44.12.6（含彎頭、快裝接口）2組。

2）輕型立式多級泵（流量20m3/h、揚程36米、功率4kW）1只。

3）自制2m3冷凝水回收熱蓄熱水箱1只。

4）DN65的Y型過濾器1個。

5）φ63.5×1.5的衛生不銹鋼管60米。

6）φ63.5×1.5的90℃彎頭10只。

7）衛生型焊接式φ63.5氣動蝶閥2只。

8）衛生型焊接式φ63.5手動蝶閥2只。

9）液位感應器2個。

10）CPU 1塊。

11）PT100溫度傳感器1個。

12）溫控儀1只。

13）壓力表1只、機械式溫度表若干。

14）控制線纜若干米。

15）水箱與管道的保溫材料。

項目總共改造費用4.5萬元（不含人工費），項目僅對蒸汽冷凝水的余熱進行回收利用，對企業的配料系統工藝流程、工藝參數未做改動，也未對現有設備進行使用功能的改變。

原始參數位置的設定：

原始狀態氣動蝶閥V102關閉、V101開啟，蓄熱水箱高液位LSH為1.8米，低液位LSL為0.3米（此參數由蓄熱水箱的體積高度及出水管道安裝位置決定），排放的設定溫度為30℃（此參數可由人工設定）。

工作原理：

TT檢測的溫度控制調節閥V104的開度，設定溫度50℃，當溫度高于50℃時閥開度減小，當溫度低于50℃時閥開度加大。

P101泵工頻控制含過載及故障報警，當液位低于LSL設定的數據0.3米時停泵P101及整個系統恢復至原始狀態。

蓄熱水箱低液位LSL低于設定的參數0.3米時泵保護及低液位自動復位功能啟動。

V103為排污閥、系統運行設定的時長后進行排污，污水直接排入污水管道進污水站。

在下列兩種情況下介質排放此時關V101閥開V102閥;一是當液位高于高液位設定值1.8米，二是TT檢測到的溫度低于設定排放的溫度30℃。

3改進后效果

因為設定的冷凝水余熱回收排放溫度為35℃，換算成熱力學溫度308k，100℃水換算成熱力學溫度為373k，取平均水溫為340.5k，該溫度下水的比熱容 C = 4.18495 kJ/（kg·K），

那么每天在實際中回收的總熱量Q3為：

Q3=23818.3×（373-308） ×4.18495=6486139.9kJ

在實際使用處于正常狀態下測得的數據：

冷凝水進蓄熱水箱溫度93℃，出蓄熱水箱溫度53℃，冷凝水經換熱器回蓄熱水箱溫度49℃，工藝熱水的補充純水進換熱器溫度20℃，出換熱器溫度40℃。補水流量計顯示DN50的補水管，流量為12.72T/h

換算成熱力學溫度后換熱器取暖側的進水溫度為 293 K，出水溫度為313 K。

換熱器中取暖側水的平均溫度為 303 K，該溫度下水的比熱容 C = 4.1807 kJ/（kg·K），經計算，換熱器每小時帶走的熱量Q4大約為：

Q4=12.72×1000 ×（313-293） ×4.1807=1063570.1kJ

理論上余熱回收的時間T為：

T= Q3×η/ Q4=6486139.9×0.92/1063570=5.61 h

每天總的余熱回收利用熱量Q6為：

Q6= Q4*T=1063570.1*5.61=5966628KJ=5.966628GJ

公司總的蒸汽檢測率在92%，折算后約為6.4855GJ

外供蒸汽年統差購入價為100元/GJ，公司購進電價0.69元/kWh，則每天節約費用即為：

每天節約費用=節約的蒸汽費用-水泵的電費

=6.4855×100-0.69×4×5.61=633元

按企業目前的生產開工狀態，實際生產天數為300天，則預計一年可節約費用約為20萬元。

4結束語

通過技術改造，即設計余熱回收裝置，對飲料配料過程中蒸汽冷凝水余熱進行回收利用，避免了蒸汽冷凝水直接排放造成的大量熱能浪費，具有一定的經濟效益，實現了節能減排增效的目的;同時該方案具有施工方便，投資小，節能大的優點，具有一定的社會效益，在行業內具有很好的應用與推廣價值。

參考文獻：

[1] 張維，楊春.飲料生產企業節能降耗措施分析[J].節能技術，2008，26（151）473～474