第二节 热量平衡计算
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19265 3.67 63 12639 .15 3.63 46.67 6405 3.76
= 96（℃） 3．Q3=G混合c混合（70-630） =494918(kJ)
（四）第二次煮沸混合醪的耗热量Q4 由糖化工艺流程可知：
Q4 Q 4 Q4 Q4
（ 5）设备向环境散热Q8为了简化计算，假定设备壁 面的温度是相同的，则： Q8=FT（tw-ta） 式中 F——设备总表面积（m2） T——壁面对空气的联合给热系数„W/(m2· ℃)‟ tw——壁面温度（℃） ta——环境空气温度（℃） ——操作过程时间（s） T的计算： ① 空气作自然对流，T=8+0.05tw ② 强制对流时，T=5.3+3.6W（空气流速W=5m/s） 或T=6.7W0.78（W>5m/s）
（六）麦汁煮沸过程耗热量Q6 Q6=Q6+Q6+Q3 1．麦汁升温至沸点耗热量Q6 2．煮沸过程蒸发耗热量Q6 3．热损失 Q3
1．麦汁升温至沸点耗热量Q6 由表5-7糖化物料衡算表可知，100kg混合原料可 得到 598.3kg 热麦汁，并设过滤完毕麦汁温度 为70℃。则进入煮沸锅的麦汁量为： G麦汁=4013598.3100=24010(kg)
c麦芽=0.01[(100-6)1.55+4.186]=1.71[kJ/(kg· K)] c大米=0.01[(100-13)1.55+4.1813]=1.89[kJ/(kg· K)]
c米醪
G 大米 c大米 G 麦芽 c麦芽 G1c w G 大米 G 麦芽 G1
1003.9 1.89 200.8 1.71 5421.15 4.18 1003.9 200.8 5421.15 3.76[kJ /(kg K )]
1．糊化锅内米醪由初温t0加热至100℃耗热 2．煮沸过程蒸汽带出的热量 Q2 3．热损失 Q2
Q2
1．糊化锅内米醪由初温t0加热至100℃耗热 Q2 =G米醪c米醪（100-t0） （1）计算米醪的比热容c米醪根据经验公式 c谷物=0.01[(100-W)c0+4.18W]进行计算。式中 W 为 含 水 百 分 率 ； c0 为 绝 对 谷 物 比 热 容 ， 取 c0=1.55kJ/(kg· K)。
（3）加热设备耗热量Q5为了简化计算，忽略设备不同部 分的温度差异，则： Q5=Gc（t2-t1） 式中 G——设备总质量（kg） c——设备材料比热容„kJ/(kg· K)‟ t1、t2——设备加热前后的平均温度（℃） （4）气体或蒸汽带出热量Q7 Q7=Σ G（ct+r） 式中 G——离开设备的气态物料量（kg） c——液态物料由0℃升温至蒸发温度的平均比 热容„kJ/(kg· K)‟ t——气态物料温度（℃） r——蒸发潜热（kJ/kg）
（一）糖化用水耗热量Q1 根据工艺，糖化锅加水量为： G1=（1003.9+200.8）4.5=5421.15(kg) 式中，1003.9为糖化一次大米粉量，200.8为 糊化锅加入的麦芽粉量（为大米量的20%）。 而糖化锅加水量为： G2=2808.93.5=9831.15(kg) 式中，2808.9为糖化一次糖化锅投入的麦芽 粉量，即3009.7-200.8=2808.9(kg)。而3009.7为 糖化一次麦芽定额量。
分析物料流向及变化，写出热量衡算式 搜集数据 确定合适的计算基准 进行具体的热量计算
1．画出单元设备的物料流向及变化的示意图。 2．分析物料流向及变化，写出热量衡算式： Q入 =Q出+Q损 式中 Q入——输入的热量总和（kJ） Q出——输出的热量总和（kJ） Q损——损失的热量总和（kJ）
5．进行具体的热量计算 （1）物量带入的热量Q1和带出热量Q4可按下式 计算，即： Q=Σ Gct 式中 G——物料质量（kg） c——物料比热容„kJ/(kg· K)‟ t——物料进入或离开设备的温度（℃）
（2）过程热效应Q3 过程的热效应主要有生物合 成热 QB 、搅拌热 QS 和状态热（例如汽化热、溶 解热、结晶热等）： Q3=QB+QS 式中 QB——发酵热（呼吸热）（kJ），视不同 条件、环境进行计算，参考本章第四节（二） 有关内容 QS=3600P（kJ） 其中P为搅拌功率（kW），为搅拌过程功 热转化率，通常=92%。
故糖化总用水量为： Gw=G1+G2=15252.3(kg) 自来水平均温度取 t1=18℃，而糖化配料用 水温度t2=50℃,故耗热量为： Q1=（G1+G2）cw(t1-t2) =488073.6(kJ)
（二）第一次米醪煮沸耗热量Q2 由糖化工艺流程（图5-6）可知， Q2 Q 2 Q2 Q2
3．热损失 米醪升温和第一次煮沸过程的热损失约为 前二次耗热量的15%，即： Q Q Q 2 =15%（ 2 + 2 ） 4．由上述结果得： Q2=1.15( Q 2 +Q 2) =2088898(kJ)
（三）第二次煮沸前混合醪升温至70℃的耗 热量Q3 按糖化工艺，来自糊化锅的煮沸的米醪 与糖化锅中的麦醪混合后温度应为 63℃， 故混合前米醪先从100℃冷却到中间温度t。
通常，Q入=Q1+Q2+Q3 Q出=Q4+Q5+Q6+Q7 Q损=Q8 式中 Q1——物料带入的热量（kJ） Q2——由加热剂（或冷却剂）传给设备和 所处理的物料的热量（kJ） Q3——过程的热效应，包括生物反应热、 搅拌热等（kJ） Q4——物料带出的热量（kJ） Q5——加热设备需要的热量（kJ） Q6——加热物料需要的热量（kJ） Q7——气体或蒸汽带出的热量（kJ）
（2）米醪的初温t0设原料的初温为18℃， 而热水为50℃，则
t0 (G大米 c大米 G麦芽 c麦芽 18 G1 c w ) 50 G米醪 c米醪
=47.1（℃）
（3）把上述结果代回（5-15）式，得：
Q2
=6625.853.76(100-47.1) =1317908(kJ)
=3.63„kJ/(kg· K)‟
混合醪比热容：
c混合 G 麦醪 c麦醪 G 米醪 c米醪 G 混合
=3.67„kJ/(kg· K)‟
（4）故Q4=26.7%G混合C混合（100-70） =559860（kJ）
2．二次煮沸过程蒸汽带走的热量Q4 煮沸时间为10min，蒸发强度5%，则蒸发水分 量为： V2=26.7%G混合5%1060 =42.4(kg) 故Q4=IVFra Baidu bibliotek=2257.242.4 =95705.3(kJ) 式中，I为煮沸温度下饱和蒸汽的焓（kJ/kg）。
（6）加热物料需要的热量Q6 Q6=Gc（t2-t1） 式中 G——物料质量（kg） c——物料比热容„kJ/(kg· K)‟ t1、t2——物料加热前后的温度（℃） （7）加热（或冷却）介质传入（或带出）的 热量Q2对于热量平衡计算的设计任务，Q2是 待求量，也称为有效热负荷。若计算出的Q2 为正值，则过程需加热；若Q2为负值，则过 程需从操作系统移出热量，即需冷却。
3．搜集数据 为了使热量衡算顺利进行，计算结 果正确无误和节约时间，首先要搜集有 关数据，如物料量、工艺条件以及必需 的物性数据等。这些有用的数据可以从 专门手册查阅，或取自工厂实际生产数 据，或根据试验研究结果选定。
4．确定合适的计算基准 在热量衡算中，取不同的基准温度，算出的 （ 5-8 ）式中各项数据就不同。所以必须选准 一个设计温度，且每一物料的进出口基准态必 须一致。通常，取 0℃ 为基准温度可简化计算。 此外，为使计算方便、准确，可灵活选取 适当的基准，如按100kg原料或成品、每小时 或每批次处理量等作基准进行计算。
3．热损失Q4 根据经验有： Q4=15% （Q4+Q4） 4．把上述结果代回（5-16）式得 Q4=1.15(Q4+Q4) =753900(kJ)
（五）洗糟水耗热量Q5 设洗糟水平均温度为 80℃ ，每 100kg 原 料用水450kg，则用水量为： G洗=4013450100=18058.5(kg) 故Q5=G洗cw(80-18) =4680041(kJ)
1．糖化锅中麦醪的初温t麦醪 已知麦芽粉初温为 18℃ ，用 50℃ 的热水配 料，则麦醪温度为：
t 麦醪 G 麦芽 c麦芽 18 G 2 c w 50 G 麦醪 c麦醪
=46.67（℃）
2 ．根据热量衡算，且忽略热损失，米醪与麦醪 并合前后的焓不变，则米醪的中间温度为：
G 混合 c混合 t 混合 G 麦醪 c麦醪 t 麦醪 t G 米醪 c 米醪
第二节 热量平衡计算
内 容
一、热量衡算的意义、方法和步骤 二、计算实例 （3000t/a啤酒厂糖化车间热量衡算）
一、热量衡算的意义、方法和步骤
（一）热量衡算的意义
计算生产过程能耗定额指标
设备类型的选择及确定其尺寸、台数的依据
组织和管理、生产、经济核算和最优化的基础
（二）热量衡算的方法和步骤
画出单元设备的物料流向及变化的示意图
（ 2 ）据工艺，糖化结束醪温为 78℃ ，抽取混合 醪的温度为70℃，则送到第二次煮沸的混合醪 量为：
G 混合 (78 70) 100 70 G 混合 100% 26.7%
（3）麦醪的比热容
G麦芽c麦芽 G 2c w 28081.71 9831.15 4.18 c麦醪 G麦醪 2808 9831.15
最后，根据 Q2来确定加热（或冷却）介质及其 用量。通常，能量消耗综合表如表5-10所示。
表5-10 能量消耗综合表
序号 名称 规格
每昼夜 每吨产 每小时 （或每 年消耗 品消耗 最大用 小时） 量 定额 量 消耗量
备注
有关热量衡算值得注意的几个问题 : （1）确定热量衡算系统所涉及所有热量或可能转化 热量的其他能量，不要遗漏。但对衡算影响很小 的项目可以忽略不计，以简化计算。 （2）确定物料计算的基准、热量计算的基准温度和 其他能量基准。在相变时，必须确定相态基准， 不要忽略相变热。 （3）正确选择与计算热力学数据。 （4）在有相关条件约束，物料量和能量参数（如 温度）有直接影响时，宜将物料平衡和热量平衡 计算联合进行，才能获得准确结果。
2．煮沸过程蒸汽带出的热量 设煮沸时间为 40min ，蒸发量为每小时 5% ，则蒸 发水分量为： V1=G米醪5%4060 =220.86(kg) =V1I=220.862257.2 故 Q2 =498525(kJ) 式中，I为煮沸温度（约为100℃）下水的汽化 潜热（kJ/kg）。
1．混合醪升温至沸腾所耗热量Q4 2．二次煮沸过程蒸汽带走的热量Q4 3．热损失Q4
1．混合醪升温至沸腾所耗热量Q4 （1）经第一次煮沸后米醪量为： G米醪=G米醪-V=6625.85-220.86 =6405(kg) 糖化锅的麦芽醪量为： G麦醪=G麦+G2 =2808.9+9831.15 =12640(kg) 故进入第二次煮沸的混合醪量为： G混合=G米醪+G麦醪 =6405+12640 =19045(kg)
二、计算实例 （3000t/a啤酒厂糖化车间热量衡算）
二次煮出糖化法是啤酒生产常用的糖 化工艺，下面就以此工艺为基准进行糖 化车间的热量衡算。工艺流程示意图如 图5-6所示，其中的投料量为糖化一次的 用量（计算参考本章第一节表5-7）。
图5-6 啤酒厂糖化工艺流程示意图
糖化过程各步操作热量计算： （一）糖化用水耗热量Q1 （二）第一次米醪煮沸耗热量Q2 （三）第二次煮沸前混合醪升温至70℃的耗热量Q3 （四）第二次煮沸混合醪的耗热量Q4 （五）洗糟水耗热量Q5 （六）麦汁煮沸过程耗热量Q6 （七）糖化一次总耗热量Q总 （八）糖化一次耗用蒸汽量D （九）糖化过程每小时最大蒸汽耗量Qmax （十）蒸汽单耗
= 96（℃） 3．Q3=G混合c混合（70-630） =494918(kJ)
（四）第二次煮沸混合醪的耗热量Q4 由糖化工艺流程可知：
Q4 Q 4 Q4 Q4
（ 5）设备向环境散热Q8为了简化计算，假定设备壁 面的温度是相同的，则： Q8=FT（tw-ta） 式中 F——设备总表面积（m2） T——壁面对空气的联合给热系数„W/(m2· ℃)‟ tw——壁面温度（℃） ta——环境空气温度（℃） ——操作过程时间（s） T的计算： ① 空气作自然对流，T=8+0.05tw ② 强制对流时，T=5.3+3.6W（空气流速W=5m/s） 或T=6.7W0.78（W>5m/s）
（六）麦汁煮沸过程耗热量Q6 Q6=Q6+Q6+Q3 1．麦汁升温至沸点耗热量Q6 2．煮沸过程蒸发耗热量Q6 3．热损失 Q3
1．麦汁升温至沸点耗热量Q6 由表5-7糖化物料衡算表可知，100kg混合原料可 得到 598.3kg 热麦汁，并设过滤完毕麦汁温度 为70℃。则进入煮沸锅的麦汁量为： G麦汁=4013598.3100=24010(kg)
c麦芽=0.01[(100-6)1.55+4.186]=1.71[kJ/(kg· K)] c大米=0.01[(100-13)1.55+4.1813]=1.89[kJ/(kg· K)]
c米醪
G 大米 c大米 G 麦芽 c麦芽 G1c w G 大米 G 麦芽 G1
1003.9 1.89 200.8 1.71 5421.15 4.18 1003.9 200.8 5421.15 3.76[kJ /(kg K )]
1．糊化锅内米醪由初温t0加热至100℃耗热 2．煮沸过程蒸汽带出的热量 Q2 3．热损失 Q2
Q2
1．糊化锅内米醪由初温t0加热至100℃耗热 Q2 =G米醪c米醪（100-t0） （1）计算米醪的比热容c米醪根据经验公式 c谷物=0.01[(100-W)c0+4.18W]进行计算。式中 W 为 含 水 百 分 率 ； c0 为 绝 对 谷 物 比 热 容 ， 取 c0=1.55kJ/(kg· K)。
（3）加热设备耗热量Q5为了简化计算，忽略设备不同部 分的温度差异，则： Q5=Gc（t2-t1） 式中 G——设备总质量（kg） c——设备材料比热容„kJ/(kg· K)‟ t1、t2——设备加热前后的平均温度（℃） （4）气体或蒸汽带出热量Q7 Q7=Σ G（ct+r） 式中 G——离开设备的气态物料量（kg） c——液态物料由0℃升温至蒸发温度的平均比 热容„kJ/(kg· K)‟ t——气态物料温度（℃） r——蒸发潜热（kJ/kg）
（一）糖化用水耗热量Q1 根据工艺，糖化锅加水量为： G1=（1003.9+200.8）4.5=5421.15(kg) 式中，1003.9为糖化一次大米粉量，200.8为 糊化锅加入的麦芽粉量（为大米量的20%）。 而糖化锅加水量为： G2=2808.93.5=9831.15(kg) 式中，2808.9为糖化一次糖化锅投入的麦芽 粉量，即3009.7-200.8=2808.9(kg)。而3009.7为 糖化一次麦芽定额量。
分析物料流向及变化，写出热量衡算式 搜集数据 确定合适的计算基准 进行具体的热量计算
1．画出单元设备的物料流向及变化的示意图。 2．分析物料流向及变化，写出热量衡算式： Q入 =Q出+Q损 式中 Q入——输入的热量总和（kJ） Q出——输出的热量总和（kJ） Q损——损失的热量总和（kJ）
5．进行具体的热量计算 （1）物量带入的热量Q1和带出热量Q4可按下式 计算，即： Q=Σ Gct 式中 G——物料质量（kg） c——物料比热容„kJ/(kg· K)‟ t——物料进入或离开设备的温度（℃）
（2）过程热效应Q3 过程的热效应主要有生物合 成热 QB 、搅拌热 QS 和状态热（例如汽化热、溶 解热、结晶热等）： Q3=QB+QS 式中 QB——发酵热（呼吸热）（kJ），视不同 条件、环境进行计算，参考本章第四节（二） 有关内容 QS=3600P（kJ） 其中P为搅拌功率（kW），为搅拌过程功 热转化率，通常=92%。
故糖化总用水量为： Gw=G1+G2=15252.3(kg) 自来水平均温度取 t1=18℃，而糖化配料用 水温度t2=50℃,故耗热量为： Q1=（G1+G2）cw(t1-t2) =488073.6(kJ)
（二）第一次米醪煮沸耗热量Q2 由糖化工艺流程（图5-6）可知， Q2 Q 2 Q2 Q2
3．热损失 米醪升温和第一次煮沸过程的热损失约为 前二次耗热量的15%，即： Q Q Q 2 =15%（ 2 + 2 ） 4．由上述结果得： Q2=1.15( Q 2 +Q 2) =2088898(kJ)
（三）第二次煮沸前混合醪升温至70℃的耗 热量Q3 按糖化工艺，来自糊化锅的煮沸的米醪 与糖化锅中的麦醪混合后温度应为 63℃， 故混合前米醪先从100℃冷却到中间温度t。
通常，Q入=Q1+Q2+Q3 Q出=Q4+Q5+Q6+Q7 Q损=Q8 式中 Q1——物料带入的热量（kJ） Q2——由加热剂（或冷却剂）传给设备和 所处理的物料的热量（kJ） Q3——过程的热效应，包括生物反应热、 搅拌热等（kJ） Q4——物料带出的热量（kJ） Q5——加热设备需要的热量（kJ） Q6——加热物料需要的热量（kJ） Q7——气体或蒸汽带出的热量（kJ）
（2）米醪的初温t0设原料的初温为18℃， 而热水为50℃，则
t0 (G大米 c大米 G麦芽 c麦芽 18 G1 c w ) 50 G米醪 c米醪
=47.1（℃）
（3）把上述结果代回（5-15）式，得：
Q2
=6625.853.76(100-47.1) =1317908(kJ)
=3.63„kJ/(kg· K)‟
混合醪比热容：
c混合 G 麦醪 c麦醪 G 米醪 c米醪 G 混合
=3.67„kJ/(kg· K)‟
（4）故Q4=26.7%G混合C混合（100-70） =559860（kJ）
2．二次煮沸过程蒸汽带走的热量Q4 煮沸时间为10min，蒸发强度5%，则蒸发水分 量为： V2=26.7%G混合5%1060 =42.4(kg) 故Q4=IVFra Baidu bibliotek=2257.242.4 =95705.3(kJ) 式中，I为煮沸温度下饱和蒸汽的焓（kJ/kg）。
（6）加热物料需要的热量Q6 Q6=Gc（t2-t1） 式中 G——物料质量（kg） c——物料比热容„kJ/(kg· K)‟ t1、t2——物料加热前后的温度（℃） （7）加热（或冷却）介质传入（或带出）的 热量Q2对于热量平衡计算的设计任务，Q2是 待求量，也称为有效热负荷。若计算出的Q2 为正值，则过程需加热；若Q2为负值，则过 程需从操作系统移出热量，即需冷却。
3．搜集数据 为了使热量衡算顺利进行，计算结 果正确无误和节约时间，首先要搜集有 关数据，如物料量、工艺条件以及必需 的物性数据等。这些有用的数据可以从 专门手册查阅，或取自工厂实际生产数 据，或根据试验研究结果选定。
4．确定合适的计算基准 在热量衡算中，取不同的基准温度，算出的 （ 5-8 ）式中各项数据就不同。所以必须选准 一个设计温度，且每一物料的进出口基准态必 须一致。通常，取 0℃ 为基准温度可简化计算。 此外，为使计算方便、准确，可灵活选取 适当的基准，如按100kg原料或成品、每小时 或每批次处理量等作基准进行计算。
3．热损失Q4 根据经验有： Q4=15% （Q4+Q4） 4．把上述结果代回（5-16）式得 Q4=1.15(Q4+Q4) =753900(kJ)
（五）洗糟水耗热量Q5 设洗糟水平均温度为 80℃ ，每 100kg 原 料用水450kg，则用水量为： G洗=4013450100=18058.5(kg) 故Q5=G洗cw(80-18) =4680041(kJ)
1．糖化锅中麦醪的初温t麦醪 已知麦芽粉初温为 18℃ ，用 50℃ 的热水配 料，则麦醪温度为：
t 麦醪 G 麦芽 c麦芽 18 G 2 c w 50 G 麦醪 c麦醪
=46.67（℃）
2 ．根据热量衡算，且忽略热损失，米醪与麦醪 并合前后的焓不变，则米醪的中间温度为：
G 混合 c混合 t 混合 G 麦醪 c麦醪 t 麦醪 t G 米醪 c 米醪
第二节 热量平衡计算
内 容
一、热量衡算的意义、方法和步骤 二、计算实例 （3000t/a啤酒厂糖化车间热量衡算）
一、热量衡算的意义、方法和步骤
（一）热量衡算的意义
计算生产过程能耗定额指标
设备类型的选择及确定其尺寸、台数的依据
组织和管理、生产、经济核算和最优化的基础
（二）热量衡算的方法和步骤
画出单元设备的物料流向及变化的示意图
（ 2 ）据工艺，糖化结束醪温为 78℃ ，抽取混合 醪的温度为70℃，则送到第二次煮沸的混合醪 量为：
G 混合 (78 70) 100 70 G 混合 100% 26.7%
（3）麦醪的比热容
G麦芽c麦芽 G 2c w 28081.71 9831.15 4.18 c麦醪 G麦醪 2808 9831.15
最后，根据 Q2来确定加热（或冷却）介质及其 用量。通常，能量消耗综合表如表5-10所示。
表5-10 能量消耗综合表
序号 名称 规格
每昼夜 每吨产 每小时 （或每 年消耗 品消耗 最大用 小时） 量 定额 量 消耗量
备注
有关热量衡算值得注意的几个问题 : （1）确定热量衡算系统所涉及所有热量或可能转化 热量的其他能量，不要遗漏。但对衡算影响很小 的项目可以忽略不计，以简化计算。 （2）确定物料计算的基准、热量计算的基准温度和 其他能量基准。在相变时，必须确定相态基准， 不要忽略相变热。 （3）正确选择与计算热力学数据。 （4）在有相关条件约束，物料量和能量参数（如 温度）有直接影响时，宜将物料平衡和热量平衡 计算联合进行，才能获得准确结果。
2．煮沸过程蒸汽带出的热量 设煮沸时间为 40min ，蒸发量为每小时 5% ，则蒸 发水分量为： V1=G米醪5%4060 =220.86(kg) =V1I=220.862257.2 故 Q2 =498525(kJ) 式中，I为煮沸温度（约为100℃）下水的汽化 潜热（kJ/kg）。
1．混合醪升温至沸腾所耗热量Q4 2．二次煮沸过程蒸汽带走的热量Q4 3．热损失Q4
1．混合醪升温至沸腾所耗热量Q4 （1）经第一次煮沸后米醪量为： G米醪=G米醪-V=6625.85-220.86 =6405(kg) 糖化锅的麦芽醪量为： G麦醪=G麦+G2 =2808.9+9831.15 =12640(kg) 故进入第二次煮沸的混合醪量为： G混合=G米醪+G麦醪 =6405+12640 =19045(kg)
二、计算实例 （3000t/a啤酒厂糖化车间热量衡算）
二次煮出糖化法是啤酒生产常用的糖 化工艺，下面就以此工艺为基准进行糖 化车间的热量衡算。工艺流程示意图如 图5-6所示，其中的投料量为糖化一次的 用量（计算参考本章第一节表5-7）。
图5-6 啤酒厂糖化工艺流程示意图
糖化过程各步操作热量计算： （一）糖化用水耗热量Q1 （二）第一次米醪煮沸耗热量Q2 （三）第二次煮沸前混合醪升温至70℃的耗热量Q3 （四）第二次煮沸混合醪的耗热量Q4 （五）洗糟水耗热量Q5 （六）麦汁煮沸过程耗热量Q6 （七）糖化一次总耗热量Q总 （八）糖化一次耗用蒸汽量D （九）糖化过程每小时最大蒸汽耗量Qmax （十）蒸汽单耗