Post on 07-Aug-2015
transcript
CAPITOLUL V
BILANȚUL DE MATERIALE
5.1 Calculul bilanțului de materiale
Capacitatea de producţie este de 290 vagoane pe campanie
Capacitatea unui vagon este de 10000 kg
Cantitatea de struguri recepţionaţi=2900000 kg
Durata campaniei este de 17 zile, iar un schimb durează 10 h
Cantitatea de struguri recepţionaţi într-o zi=207142,9 kg
Cantitatea de struguri prelucraţi pe oră=20714,29 kg/h
1.Recepţia calitativă şi cantitativă S
S - stuguri aduși la unitatea de vinificaţie
SR - struguri recepţionaţi
S = 20714,28571kg/h
P1 = 0,3 % P1 = 62,14286 kg/h
S = SR + P1 Sr P1
SR = 20652,14286 kg/h
2.Zdrobire - desciorchinare
M - mustuială
Sr
SR - struguri recepţionaţi
C - ciorchini
C = 5,0 % C = 1032,607 kg/h
P2 = 0,5 % P2 = 103,2607 kg/h
P2 - pierderi la zdrobire - descirchinare
SR = M + C + P2
M = 19516,275 kg/h M C P2
1
Recepţiecalitativă şi cantitativă
Zdrobire - desciorchinare
3.Sulfitare
M - mustuială M SO2
SO2 - cantitatea de SO2 folosită
M1 - mustuială sulfitată
P3 - pierderi la sulfitare
P3 = 0,03 % P3 = 5,854883 kg/h
SO2 = 40 mg/kg SO2 = 0,780651 kg/h M 1 P3
M + SO2 = M1 + P3
M1 = 19511,20077 kg/h
4. Scurgere mustuială
M 1
M1 - mustuială sulfitată
Mr - must răvac
B - boştina scursă
P4 - pierderi la scurgere mustuială
P4 = 0,2 % P4 = 39,0224 kg/h
Mr = 60 % din mustuiala supusă scurgerii Mr = 11706,72kg/h B P4
M1 = Mr + B + P4
B = M1 - Mr - P4
B = 7765,457906 kg/h
5. Presare discontinuă
B - boştina scursă B
MPd - must de presă discontinuă
Bpd - boștină presată ( presă discontinuă)
MPd = 35 % MPd = 2717,91kg/h
P5 = 0,8 % P5 = 62,12366 kg/h
B = MPd + BPd + P5
BPd = B - MPd - P5 MPd Bpd P5
2
Sulfitare
Scurgere mustuială
Presare discontinuă
BPd = 4985,423976 kg/h
6. Presare continuă
BPd - boștină presată ( presă discontinuă)
MSt1 - must ştuţ 1
MSt2 - must ştuţ 2
MSt3 - must ştuţ 3
T - tescovină
MSt1 = 23 % MSt1 = 1121,72 kg/h Bpd
MSt2 = 29 % MSt2 = 1420,846 kg/h
MSt3 = 27 % MSt3 = 1346,064 kg/h
P6 = 0,8 % P6 = 39,88339 kg/h
BPd = MSt1 + MSt2 + MSt3 + T+ P6
T = BPd - MSt1 - MSt2 - MSt3 - P6 MSt1 MSt2 MSt 3 T P6
T = 1056,909883 kg/h
7. Asamblarea mustului pentru vinul de calitate superioară
Mr - must răvac
MPd - must de presă discontinuă Mr MPd MSt1
MSt1 - must ştuţ 1
M - must asamblat
P7= 0,2% P7 = 31,0927 kg/h
Mr + MSt1 + MPd = M + P7
M = Mr + MSt1 + MPd - P7
M = 15515,25842 kg/h M P7
8. Limpezire-deburbare M
M -must asamblat B - burbă
ML - must limpezit
P8 - pierderi la limpezire
P8 = 0,8 % P8 = 124,1221 kg/h
B = 1,3 % B = 201,6984 kg/h ML B P8
3
Presare continuă
Asamblare
Limpezire - deburbare
M = ML + B + P8
ML = 15189,43799 kg/h
9. Fermentaţia alcoolică:
ML D
ML - must limpezit
D - drojdie
VCSL - vin de calitate superioară licoros
P9 - pierderi la fermentare
P9 = 4,2 % P9 = 637,9564 kg/h
D = 4,5 % D = 683,5247kg/h
ML + D = VCSL + P9 VCSL P9
VCSL = 15235,00631 kg/h
10. Tragerea vinului de pe drojdie
VCSL - vin de calitate superioară licoros
VCSLF - vin de calitate superioară licoros final VCSL
D1 - drojdie rezultată de la fermentare
D1 = 7,0 % D1 = 1066,45kg/h
P10 = 0,7% P10 = 106,645 kg/h
VCSL = VCSLF + D1 + P10
VCSLF = VCSL - D1 - P10 VCSLF D1 P10
VCSLF = 14061,91082kg/h
Obținerea vinului de consum curent
11. Limpezire-deburbare MSt2
MSt2 - must ştuţ 2 B - burbă
MLCC - must limpezit de consum curent
P11 - pierderi la limpezire
P11 = 0,8 % P11 = 11,36677 kg/h
B = 1,3 % B = 18,471 kg/h MLCC B P11
MSt2 = MLCC + B + P11
4
Limpezire - deburbare
Tragerea vinului de pe drojdie
Limpezire - deburbare
MLCC = 1391,008kg/h
12. Fermentaţia alcoolică:
MLCC - must limpezit de consum curent MLCC D2
D2 - drojdie
VCC - vin de consum curent
P12 - pierderi la fermentare
P12 = 4,5 % P12 = 62,59536 kg/h
D2 = 3 % D2 = 41,73024kg/h
ML + D2 = VCC + P12 VCC P12
VCC = 1370,143kg/h
13. Tragereavinului de pedrojdie
VCC - vin de consum curent
VCCF - vin de consum curent final VCC
D3 - drojdierezultată de la fermentare
D3 = 7 % D3 = 95,91001kg/h
P13 = 0,7% P13 = 9,591001 kg/h
VCC = VCCF + D3 + P13
VCCF = VCC - D3 - P13
VCCF = 1264,642kg/h VCCF D3 P13
Obținerea vinului pentru industrializare
14. Fermentaţia alcoolică:
MSt3 - must ştuţ 3 MSt3 D4
D4 - drojdie
VI - vin pentru industrializare
P14 - pierderi la fermentare
P14 = 4,9 % P14 = 65,95716 kg/h
D4 = 3 % D4 = 40,38kg/h VI P14
MSt3 + D4 = VI + P14
VI=1239,73 kg/h
5
Fermentaţia alcoolică
Tragereavinului de pedrojdie
Fermentaţia alcoolică
Prezentarea tabelară a bilanțului de materiale pentru vinul de calitate superioară licoros
MATERIALE INTRATE MATERIALE IEŞITE
Nr.crt. Denumirea operației
Material Simbol
U.M Valoare Denumirea operației
Material Simbol U.M Valoare
1 Recepţia calitativă şi cantitativă
Struguri aduși la unitatea de vinificaţie
S kg/h 20714,29 Recepţia calitativă şi cantitativă
Struguri recepţionaţi SR kg/h 20652,14
Pierderi la recepţie P1 kg/h 62,14
2 Zdrobire desciorchinare
Struguri recepţionaţi SR kg/h 20652,14 Zdrobire desciorchinare
Mustuială M kg/h 19516,28
Ciorchini C kg/h 1032,61
Pierderi la zdrobire-descirchinare
P2 kg/h 103,26
3 Sullfitare Mustuială M kg/h 19516,28 Sullfitare Mustuială sulfitată M1 kg/h 19511,20
Dioxid de sulf SO2 kg/h 0,78 Pierderi la sulfitare P3 kg/h 5,85
4 Scurgere mustuială
Mustuială sulfitată M1 kg/h 19511,20 Scurgere mustuială Must răvac Mr kg/h 11706,72
Boştina scursă B kg/h 7765,46
Pierderi la scurgere mustuială
P4 kg/h 39,02
91
5 Presare discontinuă Boştina scursă B kg/h 7765,46 Presare discontinuă Must de presă discontinuă
MPd kg/h 2717,91
Boștină presată (presă discontinuă)
Bpd kg/h 4985,42
Pierderi la presarea discontinuă
P5 kg/h 62,12
6 Presare continuă Boștină presată (presă discontinuă)
Bpd kg/h 4985,42 Presare continuă Must ştuţ 1 MSt1 kg/h 1121,72
Must ştuţ 2 MSt2 kg/h 1420,85
Must ştuţ 3 MSt3 kg/h 1346,06
Tescovină T kg/h 1056,91
Pierderi la presarea continuă
P6 kg/h 39,88
7 Asamblarea mustului pentru vinul de
caliatate superioară
Must răvac Mr kg/h 11706,72 Asamblarea mustului pentru vinul de
caliatate superioară
Must asamblat M kg/h 15515,26
Must de presă discontinuă
MPd kg/h 2717,91 Pierderi la asamblare P7 kg/h 31,09
Must ştuţ 1 MSt1 kg/h 1121,72
8 Limpezire-deburbare Must asamblat M kg/h 15515,26 Limpezire-deburbare Must limpezit ML kg/h 15189,44
92
Burbă B kg/h 201,70
Pierderi la limpezire P8 kg/h 124,12
9 Fermentaţia alcoolică
Must limpezit ML kg/h 15189,44 Fermentaţia alcoolică Vin de calitate superioară
VCSL kg/h 15235,01
Drojdie D kg/h 683,52 Pierderi la fermentare
P9 kg/h 637,96
10 Tragerea vinului de pe drojdie
Vin de calitate superioară
VCSL kg/h 15235,01 Tragerea vinului de pe drojdie
Vin de calitate superioară final
VCSLF kg/h 14061,91
Drojdie rezultată de la fermentare
D1 kg/h 1066,45
Pierderi la tragerea de pe drojdie
P10 kg/h 106,65
Prezentarea tabelară a bilanțului de materiale pentru vinul de consum curent
11 Limpezire-deburbare Must stuţul 2 MSt2 kg/h 1420,85 Limpezire-deburbare
Must limpezit MLCC kg/h 1391,01
Burbă B kg/h 18,471Pierderi la limpezire
P11 kg/h 11,37
12 Fermentaţia
alcoolică
Must limpezit ML kg/h 1391,01 Fermentaţia
alcoolică
Vin de consum curent VCC
kg/h 1370,14
Drojdie D2
kg/h 41,73 Pierderi la fermentare P12
kg/h 62,60
13Tragerea vinului de
pe drojdieVin de consum
curentVCC kg/h 1370,14
Tragerea vinului de pe drojdie
Vin de consum curent final
VCCF kg/h 1264,64
Drojdie rezultată de la fermentare D3
kg/h 95,91
Pierderi la tragerea de pe drojdie
P13 kg/h 9,59
93
Prezentarea tabelară a bilanțului de materiale pentru vinul pentru industrie
14Fermentaţia
alcoolică
Must ştuţul 3 MSt3 kg/h 1468,47Fermentaţia alcoolică
Vin pentru industrializare
VI kg/h 1440,56
Drojdie D kg/h 44,05Pierderi la fermentare
P14 kg/h 71,95
94
5.2 Consumuri specifice și randamente de fabricație
5.2.1. Calculul randamentului de producție
VCSLF + VCCF+ VI=Vt =16767,12 kg/h vin
VCSLF – vin de calitate superioară, kg/h
VCCF – vin de consum curent, kg/h
VI – vin pentru industrie, kg/h
Vt - cantitatea totală de vin obţinută, kg/h
SR - cantitatea de struguri recepționați, kg/h
SR=20652,14286 kg/h
20652,14286 kg/h struguri........................................................ 16767,12 kg/h vin
100 kg/h struguri...................................................................
=81,18%
5.2.2. Calculul consumurilor specifice
1. Consumul specific de struguri pentru obţinerea vinului:
cs=SR
V t
SR - cantitatea de struguri recepționați, kg/h
Vt - cantitatea totală de vin obţinută (VCSLF+VCCF+VI)kg/h
cs=20652,1416767,12
=1,23 kg struguri/ kg vin
2. Consumul specific de SO2 :
cs=SO2
V t
SO2- cantitatea de SO2 folosită la sulfitare, kg/h
Vt – cantitatea totală de vin obţinută , kg/h
cs=0,78
16767,12=0,000047 kg SO2/ kg vin
3. Consumul specific de drojdii:
cs=DV t
Unde:
D - cantitatea totală de drojdii folosită, kg/h
Vt - cantitatea totală de vin obţinută , kg/h
cs=769,31
16767,12=0,045 kg drojdie/ kg vin
95
CAPITOLUL VI
BILANŢ TERMIC LA FERMENTARE
Bilanţul termic la fermentaţie se stabileşte pentru un singur utilaj, unitatea de măsură
fiind șarja şi urmăreşte determinarea temperaturii finale de fermentare.
Qmi+Qr=Qmf +Q p+Q p CO2
unde:Qmi -căldura mustului, [kJ/şarjă]Qr - căldura degajată din reacţie, [kJ/şarjă]Qmf - căldura ieşită din must după fermentare, [kJ/şarjă]Qpp -căldura pierdută prin pereţii vasului, [kJ/şarjă]QpCO2 - căldura pierdută prin degajare de CO2, [kJ/şarjă]
Fermentarea are loc în cisterne metalice cu volum total de 30000 1. La fermentare se
lasă un gol de fermentare =0,85.
Vt=30000 1
Vu=∙Vt= 0,85∙30000=25500 1
Impunem H/D=l,5.
Volumul cisternei apreciată aproximativ cu un cilindru) este:
V= π ∙ D2
4∙ H= π ∙ D2
4∙ 1,5 ∙ D=π ∙D3
4∙1,5
V=30000l=30 m3
D=√ 4 ∙ V1,5 ∙ π
D=√ 4 ∙ 301,5 ∙ π
=2,94 m≈ 3 m
H=1,5 ∙ 3=4,5 m
Aria totală a cisternei este:
A=2∙ π ∙ R ∙H +2∙ π ∙ R2=π ∙ D ∙ H+2∙ π ∙D2
4=π ∙ D∙ H+ π ∙ D2
2=π ∙ D ∙(H+ D
2 )A=π ∙ 3 ∙(4,5+ 3
2 )=56,52 m2
96
A. Căldura intrată cu mustul inițial
Qm=M m∙ cm∙ tm
unde:
Mm - şarja de must care intră în cisterna de fermentare, [kg];
cm - capacitatea calorică masică a mustului, [J/kg∙K]
tm - temperatura de intrare a mustului, °C
tm=15°C
text = 12°C
must =1082 kg/m3 pentru mustul asamblat la 15°C ( V.Macovei , „Culegere de
caracteristici termofizice pentru biotehnologie şi industria alimentară" pag. 127).
M m= ρm∙ V u=1082 ∙255001000
⇒M m=27591 [ kg /șarjă ]
cmust =3795,5 [J/kg∙K] pentru mustul asamblat la 15°C ( V.Macovei , „Culegere de
caracteristici termofizice pentru biotehnologie şi industria alimentară" pag. 129).
Qm = 27591∙3795,5 ∙15= 1575179,94 [kJ/şarjă]
B. Cantitatea de căldură degajată prin reacții biochimice
Qr=Qrf +QrrQrf - cantitatea de căldură degajată la fermentare [kJ/şarjă]Qrr- cantitatea de căldură degajată la respiraţie [kJ/şarjă]
Reacția biochimică la fermentare este următoarea:
C6 H 12 O6→ 2C2 H 5OH+2CO2+23,5 kcal
Are loc eliberarea a 23,5∙4,186=98,37 kJ/kg
Reacţia biochimică la respiraţie este următoarea:
C6 H 12 O6→ 6CO2+6 H 2 O+674 kcal
Are loc eliberarea a 674∙4,186= 2821,364 kJ/kg
Conţinutul în zahăr al mustului este 220g/l. Masa de must dintr-o șarjă este de 27591
kg, iar cantitatea de zahăr dintr-o șarjă va fi de 5610 kg.
Zt =5610 [kg zahăr/şarjă]
4% din zahărul mustului va fi consumat pentru produşi secundari şi biomasă
Zps=4
100∙5610=224,4 [ kg /ș arj ă ]
95% din zahărul mustului va fi transformat în alcool
Z f=95
100∙ 5610=5329,5 [kg /ș arj ă ]
97
1% din zahărul mustului va fi folosit la respirația drojdiilor
Z r=1
100∙ 5610=56,10 [ kg /ș arj ă ]
Se va calcula cantitatea de căldură degajată la fermentaţie:
C6 H 12 O6→ 2C2 H 5OH+2CO2+23,5 kcal
180g zahăr......2∙44g CO2............................. 23,5kcal (23,5∙4,186 = 98,37 kJ/kg)
1000g zahăr...........x..........................................y
x = 488,88 g CO2
y = 546,50 kJ/kg
Qrf= y ∙Z f=546,50 ∙ 5329,5=2912571,75 [ kJ /șarjă ]Se va calcula cantitatea de căldură degajată la respiraţie:
C6 H 12 O6→ 6CO2+6 H 2 O+674 kcal
180g zahăr......6∙44g CO2............................. 674 kcal (674∙4,186 =2821,36 kJ/kg)
1000g zahăr...........a..........................................b
a =1466,67g CO2
b = 15674,22 kJ/kg
Qrr=a ∙ Z r=15674,22 ∙56,10=879323,87 [ kJ / șarjă ]
Cantitatea de căldură degajată din reacţie:
Qr=Qrf +Qrr=2912571,75+879323,87=3791895,62kJ / șarjă
C. Cantitatea de căldură pierdută prin degajare de CO2
Q p CO2=M CO2 umed ∙ cCO2
∙tCO2
unde:MCO2umed - cantitatea de CO2 umed degajată [ kJ/şarjă]cCO2- capacitatea calorică masică a CO2 [j/kg∙K]
tCO2- temperatura dioxidului de carbon, tCO2= 15 °C
M CO2 umed=M CO2 uscat+Papă+Palcool
M CO2 uscat=MCO2 f +M CO2 r
unde:
98
MCO2f - cantitatea de CO2uscat degajat la fermentare, [kg/ şarjă] MCO2r - cantitatea de CO2 degajat la respiraţia drojdiilor, [kg/șarjă]
Se va calcula cantitatea de CO2 uscat degajat la fermentare din reacţie, pentru
cantitatea de zahăr necesară fermentaţiei:
Fermentare:
180 kg C6H12O6....................2∙44 kg CO2
5329,5 C6Hl206.....................x
x= MCO2f =2605,53 [kg CO2]
din această cantitate 30% este reţinută în must, deci:
M CO2 f=70
100∙2605,53=1823,87 [kgCO2]
Se va calcula cantitatea de CO2 uscat degajat la respiraţia drojdiilor, pentru cantitatea
de zahăr necesară la respiraţia drojdiilor:
Respiraţie:
180 kg C6Hl206.............6∙44kg CO2
56,10 kg C6H1206...............y
y= MCO2r= 82,28 [kg CO2]
M CO2 uscat=MCO2 f +M CO2 r=1823,87+82,28=1906,15 [ kg /șarjă ]
Se calculează pierderile de alcool şi apă pentru o şarjă:
Palc=30 % ∙ MCO2 f ∙ xs
Papă=70% ∙ M CO2 f ∙ xs
unde:
xs -conţinutul de umezeală al CO2
xs =0,0167 [kg/şarjă]
Palc=30 % ∙ 1906,15∙ 0,0167=9,14 [kg /șarjă ]
Papă=70 % ∙ 1906,15 ∙0,0167=21,32 [ kg /șarjă ]
M CO2 umed=M CO2 uscat+Papă+Palcool
M CO2 umed=1906,15+21,32+9,14=1936,61 [ kg /șarjă ]
Q p CO2=M CO2 umed ∙ cCO2
∙tCO2
Q p CO2=1936,61∙ 0,9 ∙293=510684,59 [ kJ /șarjă ]
D.Cantitatea de căldură degajată prin pereţii cisternei metalice
Q p=k ∙ A ∙ ∆ tmed ∙ τ ∙103 [ kJ /șarjă ]
99
unde:
k- coeficient total de transfer termic, [W/m2∙K]
A- aria totală a cisternei metalice, [m2] A = 56,52 m2
tmed -diferenţa între temperatura mustului şi temperatura mediului exterior, [°C]
tmust = 15°C
text = 12°C
- timpul de fermentare, [s]
= 14 zile
Coeficientul total de transfer termic de căldură se calculează cu formula:
k= 1
1α 1
+δ p
λp
+ 1α 2
[W /m2 ∙ K ]
unde:
α1 - coeficient parţial de transfer termic prin convecție liberă de la must la pereţii
vasului, [W/m2∙K]
α2 - coeficient parţial de transfer termic prin convecţie liberă de la pereţii vasului la
mediul înconjurător, [W/m2∙K]
δp- grosimea peretelui, [m] ;
λp- conductivitatea termică a materialului din care este construită cisterna, [W/m∙K]
Nu=α 1∙ de
λ
unde:
de - diametru echivalent, m;
de = D = 3m
Gr=g ∙ d3
ν2 ∙ β ∙ Δt= g ∙d3
( ηρ )
2 ∙ β ∙ Δt
unde:
Gr- criteriul Grashoff;
g - acceleraţia gravitaţională, [m/s2];
- vâscozitatea cinematică a vinului, [m2/s];
β- coeficient de dilatare volumică,
β = 2,066∙10-4 K-1
t - diferenţa de temperatură dintre must şi temperatura suprafeţei peretelui, [°C];
100
Caracteristicile termofizice ale vinului la temperatura de 15°C sunt:
t=15°C=1028 kg/m3; c=3726,2 J/kg∙K; λ=0,40 W/m∙K; =2,756∙10-3Pa∙s [Viorica
Maria Macovei – ”Culegere de caracteristici termofizice pentru biotehnologie şi industria
alimentară”]
Gr= 9,81 ∙33
( 2,756 ∙10−3
1028 )2 ∙2,066 ∙10−4 ∙1=7613614643
Pr= c ∙ ηλ
=3726,2∙ 2,756 ∙ 10−3
0,425,67
unde:
c - căldura specifică a vinului la 15°C, J/kg∙K;
- vâscozitatea dinamică a vinului la 15°C, Pa∙s;
λ - conductivitatea termică a vinului la 15°C, W/m∙K;
Gr∙Pr=195468272583,12
Pentru Gr∙Pr > 109 => regim turbulent: c=0,135 n=0,33
Nu=c ∙ (Gr ∙ Pr )n
Nu=0,135 (195468272583,12 )0,33=718,44
α 1=Nu ∙ λ
de
=718,44 ∙0,43
=95,79 [W /m2 ∙K ]
La calculul pierderilor de căldură la aparatele care se găsesc în spaţii închise la
temperaturi ale suprafeţei de până la 15°C, se utilizează formula:
α 2=9,74+0,07 ∙ ∆ t
t=15-12=3°C
α 2=9,74+0,07 ∙ 3=9,95 [W /m2 ∙K ]
k= 1
1α 1
+δ p
λp
+ 1α 2
= 11
95,79+
0,0117,5
+1
9,95
=8,97 [W /m2 ∙ K ]
Q p=k ∙ A ∙ ∆ tmed ∙ τ ∙103 [ kJ /șarjă ]
Q p=8,97 ∙56,52 ∙3 ∙ 14 ∙ 24 ∙3600=1839241,081 [ kJ /șarjă ]
Qmi+Qr=Qmf +Q p+Q p CO2
Qmf =M mf ∙ cmf ∙ tmf
tmf=Qmi+Qr−Qp−Q pCO2
Mmf ∙ cmf
101
tmf=1461466,52+3791895,617−510684,59−1839241,08
25321,5 ∙ 3,726
tmf=30,77 ° C
În concluzie se impune să se facă răcirea cisternei de fermentare utilizând un sistem de
răcire, constituit dintr-o seprentină interioară prin care circulă apă rece.
Qmi+Qr=Qmf +Q p+Q p CO2+Qrac
Qrac ¿Qmi+Qr−Qmf −Q p−Q p CO2
Qmf =M mf ∙ cmf ∙ tmf
Qmf =25321,50 ∙3,726 ∙ 22=2075654 [ kJ / șarjă ]
Qr ac=1461466,52+3791895,617−2075654−510684,59−1839241,08
Qrac=827782,45 [ kJ /șarjă ]
Qrac=W a ∙ ca ∙ ∆ t a ∙ τ r
unde:
Wa - debitul apei de răcire a apei, kg/s;
ca - căldura specifică a apei, kJ/ kg∙K;
ta - diferenţa de temperatură între temperatura apei la ieşire şi temperatura apei la
intare în cisternă, °C;
r -timpul aferent răcirii, s;
W a=Qrac
ca ∙ ∆ t a ∙ ∙ τ r
= 827782,454,18 ∙ 3∙1209600
=0,055 kg /s
Bilanţul termic la fermentaţia mustului de ștuț II destinat obținerii de vin de consum current
se stabileşte pentru un singur utilaj, unitatea de măsură fiind șarja şi urmăreşte determinarea
temperaturii finale de fermentare.
Qmi+Qr=Qmf +Q p+Q p CO2
unde:Qmi -căldura mustului, [kJ/şarjă]Qr - căldura degajată din reacţie, [kJ/şarjă]Qmf - căldura ieşită din must după fermentare, [kJ/şarjă]Qpp -căldura pierdută prin pereţii vasului, [kJ/şarjă]
102
QpCO2 - căldura pierdută prin degajare de CO2, [kJ/şarjă]
Fermentarea are loc în cisterne metalice cu volum total de 20000 1. La fermentare se lasă un
gol de fermentare =0,90. Vt=20000 1Vu=∙Vt= 0,90∙20000=18 000 1
Cisternele metalice nu sunt standardizate.
Impunem H/D=l,5.
Volumul cisternei apreciată aproximativ cu un cilindru) este:
V= π ∙ D2
4∙ H= π ∙ D2
4∙ 1,5 ∙ D=π ∙D3
4∙1,5
V=20000l=20 m3
D= 3√ 4 ∙ V1,5 ∙ π
D= 3√ 4 ∙ 201,5 ∙ π
=2,57 m
H=1,5 ∙ 2,6=3,86 m
Aria totală a cisternei este:
A=2∙ π ∙ R ∙H +2∙ π ∙ R2=π ∙ D ∙ H+2∙ π ∙D2
4=π ∙ D∙ H+ π ∙ D2
2=π ∙ D ∙(H+ D
2 )A=π ∙ 2,57 ∙(3,86+ 2,57
2 )=41,49m2
A. Căldura intrată cu mustul inițial
Qm=M m∙ cm∙ tm
unde:Mm - şarja de must care intră în cisterna de fermentare, [kg]; cm - capacitatea calorică masică a mustului, [J/kg∙K] tm - temperatura de intrare a mustului, °Ctm=15°C text = 12°C
must =1107 kg/m3 pentru mustul de ștuț II la 15°C ( V.Macovei , „Culegere de caracteristici
termofizice pentru biotehnologie şi industria alimentară" pag. 127).
103
M m= ρm∙ V u=1107 ∙180001000
⇒M m=19926 [ kg /șarj ă ]
cmust =3460 [J/kg∙K] pentru mustul de ștuț II la 15°C ( V.Macovei , „Culegere de
caracteristici termofizice pentru biotehnologie şi industria alimentară" pag. 128).
Qm=19926∙ 3460 ∙ 15=1052541,135[kJ / şarjă]
B. Cantitatea de căldură degajată prin reacții biochimice
Qr=Qrf +Qrr
Qrf - cantitatea de căldură degajată la fermentare [kJ/şarjă]
Qrr- cantitatea de căldură degajată la respiraţie [kJ/şarjă]
Reacția biochimică la fermentare este următoarea
C6 H 12 O6→ 2C2 H 5OH+2CO2+23,5 kcal
Are loc eliberarea a 23,5∙4,186=98,37 kJ/kg
Reacţia biochimică la respiraţie este următoarea:
C6 H 12 O6→ 6CO2+6 H 2 O+674 kcal
Are loc eliberarea a 674∙4,186= 2821,364 kJ/kg
Conţinutul în zahăr al mustului este 200g/l. Masa de must dintr-o șarjă este de 19926 kg, iar
cantitatea de zahăr dintr-o șarjă va fi de 3600 kg.
Zt=3600 [kg zahăr/şarjă]
4% din zahărul mustului va fi consumat pentru produşi secundari şi biomasă
Zps=4
100∙3600=144 [ kg /ș arj ă ]
95% din zahărul mustului va fi transformat în alcool
Z f=95
100∙ 3600=3420 [ kg/ șarj ă ]
1% din zahărul mustului va fi folosit la respirația drojdiilor
Z r=1
100∙ 3600=36 [kg /ș arj ă ]
Se va calcula cantitatea de căldură degajată la fermentaţie:
C6 H 12 O6→ 2C2 H 5OH+2CO2+23,5 kcal
180g zahăr......2∙44g CO2............................. 23,5kcal (23,5∙4,186 = 98,37 kJ/kg)
104
1000g zahăr...........x..........................................y
x = 488,88 g CO2
y = 546,50 kJ/kg
Qrf= y ∙Z f=546,50 ∙ 3420=1869030 [ kJ /șarjă ]
Se va calcula cantitatea de căldură degajată la respiraţie:
C6 H 12 O6→ 6CO2+6 H 2 O+674 kcal
180g zahăr......6∙44g CO2............................. 674 kcal (674∙4,186 =2821,36 kJ/kg)
1000g zahăr...........a..........................................b
a =1466,67g CO2
b = 15674,22 kJ/kg
Qrr=b ∙ Z r=15674,22 ∙36=564272 [ kJ /șarjă ]
Cantitatea de căldură degajată din reacţie:
Qr=Qrf +Qrr=1869030+564272=2433302 kJ /șarjă
C. Cantitatea de căldură pierdută prin degajare de CO2
Q p CO2=M CO2 umed ∙ cCO2
∙tCO2
unde:
MCO2umed - cantitatea de CO2 umed degajată [ kJ/şarjă]
cCO2- capacitatea calorică masică a CO2 [j/kg∙K]
tCO2- temperatura dioxidului de carbon, tCO2= 15 °C
M CO2 umed=M CO2 uscat+Papă+Palcool
M CO2 uscat=MCO2 f +M CO2 r
unde:
MCO2f - cantitatea de CO2uscat degajat la fermentare, [kg/ şarjă]
MCO2r - cantitatea de CO2 degajat la respiraţia drojdiilor, [kg/șarjă]
Se va calcula cantitatea de CO2 uscat degajat la fermentare din reacţie, pentru cantitatea de
zahăr necesară fermentaţiei:
Fermentare:
180 kg C6H12O6................................2∙44 kg CO2
105
3420 C6Hl206....................................x
x= MCO2f =1672 [kg CO2]
din această cantitate 30% este reţinută în must, deci:
M CO2 f=70
100∙1672=1170,4 [kgCO 2]
Se va calcula cantitatea de CO2 uscat degajat la respiraţia drojdiilor, pentru cantitatea de
zahăr necesară la respiraţia drojdiilor:
Respiraţie:
180 kg C6Hl2O6........................6∙44kg CO2
36 kg C6H12O6...............................y
y= MCO2r= 52,8 [kg CO2]
M CO2 uscat=MCO2 f +M CO2 r=1170,4+52,8=1223,2 [ kg/ șarjă ]
Se calculează pierderile de alcool şi apă pentru o şarjă:
Palc=30 % ∙ MCO2 f ∙ xs
Papă=70% ∙ M CO2 f ∙ xs
unde:
xs -conţinutul de umezeală al CO2
xs =0,00288 [kg/şarjă]
Palc=30 % ∙ 1170,4 ∙ 0,0288=10,11 [ kg/ șarjă ]
Papă=70 % ∙ 1170,4 ∙0,0288=23,60 [ k g /șarjă ]
M CO2 umed=M CO2 uscat+Papă+Palcool
M CO2 umed=1223,2+10,11+23,60=1256,91 [ kg/ șarjă ]
Q p CO2=M CO2 umed ∙ cCO2
∙tCO2
Q p CO2=1256,91∙ 0,9 ∙18=320361,9 [ kJ
șarjă ]D. Cantitatea de căldură degajată prin pereţii cisternei metalice
Q p=k ∙ A ∙ ∆ tmed ∙ τ ∙103 [ kJ /șarjă ]
unde:
k- coeficient total de transfer termic, [W/m2∙K]
A- aria totală a cisternei metalice, [m2] A = 41,49 m2
106
tmed -diferenţa între temperatura mustului şi temperatura mediului exterior, [°C]
tmust = 18°C
text = 15°C
- timpul de fermentare, [s]
= 14 zile
Coeficientul total de transfer termic de căldură se calculează cu formula:
k= 1
1α 1
+δ p
λp
+ 1α 2
[W /m2 ∙ K ]
unde:
α1 - coeficient parţial de transfer termic prin convecție liberă de la must la pereţii vasului,
[W/m2∙K]
α2 - coeficient parţial de transfer termic prin convecţie liberă de la pereţii vasului la mediul
înconjurător, [W/m2∙K]
δp- grosimea peretelui, [m] ;
λp- conductivitatea termică a materialului din care este construită cisterna, [W/m∙K]
Nu=α 1∙ de
λ
unde:
de - diametru echivalent, m;
de = D = 3m
Gr=g ∙ d3
ν2 ∙ β ∙ Δt= g ∙d3
( ηρ )
2 ∙ β ∙ Δt
unde:
Gr- criteriul Grashoff;
g - acceleraţia gravitaţională, [m/s2];
- vâscozitatea cinematică a vinului, [m2/s];
β- coeficient de dilatare volumică,
β = 2,066∙10-4 K-1
t - diferenţa de temperatură dintre must şi temperatura suprafeţei peretelui, [°C];
Caracteristicile termofizice ale vinului la temperatura de 15°C sunt:
t=15°C=1107 kg/m3; c=3481 J/kg∙K; λ=0,47 W/m∙K; =1,96∙10-3 Pa∙s [Viorica Maria
Macovei -Culegere de caracteristici termofizice pentru biotehnologii şi industrie alimentară]
107
Gr= 9,81 ∙2,573
( 1,96 ∙10−3
1107 )2 ∙ 2,066 ∙10−4 ∙1=17456058463
Pr= c ∙ ηλ
=3481∙1,96 ∙ 10−3
0,47=14,51
unde:
c - căldura specifică a vinului la 18°C, J/kg∙K;
- vâscozitatea dinamică a vinului la 18°C, Pa∙s;
λ - conductivitatea termică a vinului la 18°C, W/m∙K;
Gr∙Pr=253401058382,01
Pentru Gr∙Pr > 109 => regim turbulent: c=0,135 n=0,33
Nu=c ∙ (Gr ∙ Pr )n
Nu=0,135 (253401058382,01 )0,33=782,7
α 1=Nu ∙ λ
de
=718,44 ∙0,43
=122,62 [W /m2 ∙ K ]
La calculul pierderilor de căldură la aparatele care se găsesc în spaţii închise la temperaturi
ale suprafeţei de până la 15°C, se utilizează formula:
α 2=9,74+0,07 ∙ ∆ t
t=18-15=3°C
α 2=9,74+0,07 ∙ 3=9,95 [W /m2 ∙K ]
k= 1
1α 1
+δ p
λp
+ 1α 2
= 11
122,62+
0,0117,5
+1
9,95
=9,16 [W /m2∙ K ]
Q p=k ∙ A ∙ ∆ tmed ∙ τ ∙103 [ kJ /șarjă ]
Q p=9,16 ∙ 41,49∙ 3 ∙ 14 ∙24 ∙3600=1378574824 [ kJ /șarjă ]
Qmi+Qr=Qmf +Q p+Q p CO2
Qmf =M mf ∙ cmf ∙ tmf
tmf=Qmi+Qr−Qp−Q pCO2
Mmf ∙ cmf
tmf=1052541,135+2433302−1378574824−320361,9
19926 ∙ 3481
tmf=30,08 ° C
108
În concluzie se impune să se facă răcirea cisternei de fermentare utilizând un sistem de răcire,
constituit dintr-o seprentină interioară prin care circulă apă rece.
Qmi+Qr=Qmf +Q p+Q p CO2+Qrac
Qrac ¿Qmi+Qr−Qmf −Q p−Q pCO2
Qmf =M mf ∙ cmf ∙ tmf
Qmf =19926 ∙3700 ∙ 18=1327071,6 [ kJ / șarjă ]
Qrac=1052541,135+2433302−1327071,6−1378574824−320361,9
Qrac=759834,81 [ kJ / șarjă ]
Qrac=W a ∙ ca ∙ ∆ t a ∙ τ r
unde:
Wa - debitul apei de răcire a apei, kg/s;
ca - căldura specifică a apei, kJ/ kg∙K;
ta - diferenţa de temperatură între temperatura apei la ieşire şi temperatura apei la intare în
cisternă, °C;
r -timpul aferent răcirii, s;
W a=Qrac
ca ∙ ∆ t a ∙ ∙ τ r
= 759834,814,18 ∙ 3∙1209600
=0,05 kg /s
Bilanţul termic la fermentaţie mustului de ștuț III destinat obținerii de vin pentru industrie se
stabileşte pentru un singur utilaj, unitatea de măsură fiind șarja şi urmăreşte determinarea
temperaturii finale de fermentare.
Qmi+Qr=Qmf +Q p+Q p CO2
unde:Qmi -căldura mustului, [kJ/şarjă]Qr - căldura degajată din reacţie, [kJ/şarjă]Qmf - căldura ieşită din must după fermentare, [kJ/şarjă]Qpp - căldura pierdută prin pereţii vasului, [kJ/şarjă]QpCO2 - căldura pierdută prin degajare de CO2, [kJ/şarjă]
Fermentarea are loc în cisterne metalice cu volum total de 15 000 1. La fermentare se lasă un
gol de fermentare =0,95.
Vt=15 000 1
109
Vu=∙Vt= 0,95∙15000=14250 1
Cisternele metalice nu sunt standardizate.
Impunem H/D=l,5.
Volumul cisternei apreciată aproximativ cu un cilindru) este:
V= π ∙ D2
4∙ H= π ∙ D2
4∙ 1,5 ∙ D=π ∙D3
4∙1,5
V=15000 l=15 m3
D= 3√ 4 ∙ V1,5 ∙ π
D= 3√ 4 ∙151,5 ∙ π
=2,34 m
H=1,5 ∙ 2,34=3,5 m
Aria totală a cisternei este:
A=2∙ π ∙ R ∙H +2∙ π ∙ R2=π ∙ D ∙ H+2∙ π ∙D2
4=π ∙ D∙ H+ π ∙ D2
2=π ∙ D ∙(H+ D
2 )A=π ∙ 2,34 ∙(3,5+ 2,34
2 )=34,25 m2
A. Căldura intrată cu mustul inițial
Qm=M m∙ cm∙ tm
unde:
Mm - şarja de must care intră în cisterna de fermentare, [kg];
cm - capacitatea calorică masică a mustului, [J/kg∙K]
tm - temperatura de intrare a mustului, °C
tm=18°C
text = 15°C
must =1085 kg/m3 pentru mustul de ștuț III 15°C ( V.Macovei , „Culegere de caracteristici
termofizice pentru biotehnologie şi industria alimentară" pag. 127).
M m= ρm∙ V u=1085 ∙142501000
⇒M m=15418,5 [ kg /ș arj ă ]
cmust =3460 [J/kg∙K] pentru mustul de ștuț III 15°C ( V.Macovei , „Culegere de caracteristici
termofizice pentru biotehnologie şi industria alimentară" pag. 128).
Qm=15418,5∙ 3460 ∙15=814443,72[kJ /şarjă ]
B. Cantitatea de căldură degajată prin reacții biochimice
110
Qr=Qrf +Qrr
Qrf - cantitatea de căldură degajată la fermentare [kJ/şarjă]
Qrr- cantitatea de căldură degajată la respiraţie [kJ/şarjă]
Reacția biochimică la fermentare este următoarea:
C6 H 12 O6→ 2C2 H 5OH+2CO2+23,5 kcal
Are loc eliberarea a 23,5∙4,186=98,37 kJ/kg
Reacţia biochimică la respiraţie este următoarea:
C6 H 12 O6→ 6CO2+6 H 2 O+674 kcal
Are loc eliberarea a 674∙4,186= 2821,364 kJ/kg
Conţinutul în zahăr al mustului este 200g/l. Masa de must dintr-o șarjă este de 19926 kg, iar
cantitatea de zahăr dintr-o șarjă va fi de 3600 kg.
Zt=3600 [kg zahăr/şarjă]
4% din zahărul mustului va fi consumat pentru produşi secundari şi biomasă
Zps=4
100∙2137,5=85,5 [ kg /șarj ă ]
95% din zahărul mustului va fi transformat în alcool
Z f=95
100∙ 2137,5=2030,63 [ kg/ șarj ă ]
1% din zahărul mustului va fi folosit la respirația drojdiilor
Z r=1
100∙ 2137,5=21,38 [ kg /ș arj ă ]
Se va calcula cantitatea de căldură degajată la fermentaţie:
C6 H 12 O6→ 2C2 H 5OH+2CO2+23,5 kcal
180g zahăr......2∙44g CO2............................. 23,5kcal (23,5∙4,186 = 98,37 kJ/kg)
1000g zahăr...........x..........................................y
x = 488,88 g CO2
y = 546,50 kJ/kg
Qrf= y ∙Z f=546,50 ∙ 2030,63=1109736,56 [ kJ /șarjă ]
Se va calcula cantitatea de căldură degajată la respiraţie:
111
C6 H 12 O6→ 6CO2+6 H 2 O+674 kcal
180g zahăr......6∙44g CO2............................. 674 kcal (674∙4,186 =2821,36 kJ/kg)
1000g zahăr...........a..........................................b
a =1466,67g CO2
b = 15674,22 kJ/kg
Qrr=b ∙ Z r=15674,22 ∙21,38=335036,5 [ kJ /șarjă ]
Cantitatea de căldură degajată din reacţie:
Qr=Qrf +Qrr=1109736,56+335036,5=1444773,063 kJ /șarjă
C.Cantitatea de căldură pierdută prin degajare de CO2
Q p CO2=M CO2 umed ∙ cCO2
∙tCO2
unde:
MCO2umed - cantitatea de CO2 umed degajată [ kJ/şarjă]
cCO2- capacitatea calorică masică a CO2 [j/kg∙K]
tCO2- temperatura dioxidului de carbon, tCO2= 15 °C
M CO2 umed=M CO2 uscat+Papă+Palcool
M CO2 uscat=MCO2 f +M CO2 r
unde:
MCO2f - cantitatea de CO2uscat degajat la fermentare, [kg/ şarjă]
MCO2r - cantitatea de CO2 degajat la respiraţia drojdiilor, [kg/șarjă]
Se va calcula cantitatea de CO2 uscat degajat la fermentare din reacţie, pentru cantitatea de
zahăr necesară fermentaţiei:
Fermentare:
180 kg C6H12O6................................2∙44 kg CO2
2030,63 C6Hl206...............................x
x= MCO2f =992,75 [kg CO2]
din această cantitate 30% este reţinută în must, deci:
M CO2 f=70
100∙992,75=694,92[kgCO2]
Se va calcula cantitatea de CO2 uscat degajat la respiraţia drojdiilor, pentru cantitatea de
zahăr necesară la respiraţia drojdiilor:
112
Respiraţie:
180 kg C6H l2O6.......................6∙44kg CO2
21,38 kg C6H1 2O6.......................y
y= MCO2r= 31,35 [kg CO2]
M CO2 uscat=MCO2 f +M CO2 r=694,92+31,35=726,28 [ kg /șarjă ]
Se calculează pierderile de alcool şi apă pentru o şarjă:
Palc=30% ∙ MCO2 f ∙ xs
Papă=70 % ∙ M CO2 f ∙ xs
unde:
xs -conţinutul de umezeală al CO2
xs =0,00288 [kg/şarjă]
Palc=30 % ∙ 694,92∙ 0,0288=6 [ kg/ șarjă ]
Papă=70 % ∙ 694,92 ∙0,0288=14,01 [ kg/ șarjă ]
M CO2 umed=M CO2 uscat+Papă+Palcool
M CO2 umed=726,28+6+14,01=746,29 [ kg/ șarjă ]
Q p CO2=M CO2 umed ∙ cCO2
∙tCO2
Q p CO2=746,29 ∙0,9 ∙ 18=312089,88 [ kJ /șarjă ]
C. Cantitatea de căldură degajată prin pereţii cisternei metalice
Q p=k ∙ A ∙ ∆ tmed ∙ τ ∙103 [ kJ /șarjă ]
unde:
k- coeficient total de transfer termic, [W/m2∙K]
A- aria totală a cisternei metalice, [m2] A = 41,49 m2
tmed -diferenţa între temperatura mustului şi temperatura mediului exterior, [°C]
tmust = 18°C
text = 15°C
- timpul de fermentare, [s]
= 14 zile
Coeficientul total de transfer termic de căldură se calculează cu formula:
k= 1
1α 1
+δ p
λp
+ 1α 2
[W /m2 ∙ K ]
113
unde:
α1 - coeficient parţial de transfer termic prin convecție liberă de la must la pereţii vasului,
[W/m2∙K]
α2 - coeficient parţial de transfer termic prin convecţie liberă de la pereţii vasului la mediul
înconjurător, [W/m2∙K]
δp- grosimea peretelui, [m] ;
λp- conductivitatea termică a materialului din care este construită cisterna, [W/m∙K]
Nu=α 1∙ de
λ
unde:
de - diametru echivalent, m;
de = D = 3m
Gr=g ∙ d3
ν2 ∙ β ∙ Δt= g ∙d3
( ηρ )
2 ∙ β ∙ Δt
unde:
Gr- criteriul Grashoff;
g - acceleraţia gravitaţională, [m/s2];
- vâscozitatea cinematică a vinului, [m2/s];
β- coeficient de dilatare volumică,
β = 2,066∙10-4 K-1
t - diferenţa de temperatură dintre must şi temperatura suprafeţei peretelui, [°C];
Caracteristicile termofizice ale vinului la temperatura de 18°C sunt:
t=15°C=1085 kg/m3; c=3460 J/kg∙K; λ=0,4 W/m∙K; =2,6∙10-3 Pa∙s [Viorica Maria
Macovei -Culegere de caracteristici termofizice pentru biotehnologii şi industrie alimentară]
Gr= 9,81 ∙2,343
( 1,96 ∙10−3
1085 )2 ∙ 2,066 ∙10−4 ∙1=952962627
Pr= c ∙ ηλ
=3460 ∙2,6 ∙ 10−3
0,4=22,49
unde:
c - căldura specifică a vinului la 18°C, J/kg∙K;
- vâscozitatea dinamică a vinului la 18°C, Pa∙s;
114
λ - conductivitatea termică a vinului la 18°C, W/m∙K;
Gr∙Pr=214321294914,60
Pentru Gr∙Pr > 109 => regim turbulent: c=0,135 n=0,33
Nu=c ∙ (Gr ∙ Pr )n
Nu=0,135 (214321294914,60 )0,33=740,6
α 1=Nu ∙ λ
de
=740,6 ∙0,42,34
=98,74 [W /m2 ∙ K ]
La calculul pierderilor de căldură la aparatele care se găsesc în spaţii închise la temperaturi
ale suprafeţei de până la 15°C, se utilizează formula:
α 2=9,74+0,07 ∙ ∆ t
t=18-15=3°C
α 2=9,74+0,07 ∙ 3=9,95 [W /m2 ∙K ]
k= 1
1α 1
+δ p
λp
+ 1α 2
= 11
98,74+
0,0117,5
+1
9,95
=8,99 [W /m2∙ K ]
Q p=k ∙ A ∙ ∆ tmed ∙ τ ∙103 [ kJ /șarjă ]
Q p=8,99∙ 34,25 ∙3 ∙ 14 ∙ 24 ∙3600=1117810,59 [ kJ /șarjă ]
Qmi+Qr=Qmf +Q p+Q p CO2
Qmf =M mf ∙ cmf ∙ tmf
tmf=Qmi+Qr−Qp−Q pCO2
Mmf ∙ cmf
tmf=814443,71+1444773,06−1117810,59−312089,88
15418,5 ∙3460
tmf=19,8 ° C
În concluzie se impune să se facă răcirea cisternei de fermentare utilizând un sistem de răcire,
constituit dintr-o seprentină interioară prin care circulă apă rece.
Qmi+Qr=Qmf +Q p+Q p CO2+Qrac
Qrac ¿Qmi+Qr−Qmf −Q p−Q p CO2
Qmf =M mf ∙ cmf ∙ tmf
Qmf =15418,5 ∙3700 ∙18=1026872,1 [ kJ /șarjă ]
Qrac=814443,71+1444773,06−1117810,59−312089,88−1026872,1
Qrac=102444,21 [ kJ / șarjă ]
115
Qrac=W a ∙ ca ∙ ∆ t a ∙ τ r
unde:
Wa - debitul apei de răcire a apei, kg/s;
ca - căldura specifică a apei, kJ/ kg∙K;
ta - diferenţa de temperatură între temperatura apei la ieşire şi temperatura apei la intare în
cisternă, °C;
r -timpul aferent răcirii, s;
W a=Qrac
ca ∙ ∆ t a ∙ ∙ τ r
= 102444,214,18 ∙ 3∙1209600
=0,0067 kg/ s
116