Чиллер для варочного котла с рубашкой: расчёт охлаждения

Чиллер для варочного котла с рубашкой считают по тому, сколько продукта и как быстро нужно остудить: тепло продукта делят на время охлаждения и добавляют около 15 % на массу котла, рубашку и мешалку. Калькулятор считает холодопроизводительность по массе продукта, его типу, начальной и конечной температуре и времени; вода на рубашку принята 10 °C, как у серийных чиллеров.

Откуда берётся тепло

• Продукт. Сироп, соус, крем или мыльная масса после варки имеют 80–95 °C, а на фасовку или в следующий аппарат должны уйти при 25–40 °C. Тепло — масса, умноженная на теплоёмкость и разность температур; у водных основ теплоёмкость 3,9 кДж/(кг·°C), у эмульсий 3,2, у масел и жиров около 2,1.
• Время. Чем быстрее нужно остудить, тем больше чиллер: 500 кг за полтора часа — 22 кВт тепла, за полчаса — 65 кВт. Время ограничено площадью рубашки: котлу на 500 л быстрее 40–60 минут не остыть при любом чиллере.
• Котёл и рубашка. Стальной котёл, рубашка с водой, мешалка и крышка тоже горячие и остывают вместе с продуктом — около 15 % сверх тепла продукта.
• Несколько котлов. Если котлы работают по очереди, считают один самый большой; если остывают одновременно — складывают массы. Технологическое расписание важнее числа котлов.

Формула

Q_п = M × c × (t₁ − t₂) / (3600 × τ)

Q = Q_п × 1,15 × (1 + k)

V = Q / (1,163 × Δt)

• Q_п — тепло продукта, кВт; M — масса продукта в котле, кг; c — теплоёмкость продукта, кДж/(кг·°C); t₁, t₂ — температура в начале и в конце охлаждения, °C; τ — время охлаждения, ч.
• 1,15 — масса котла, рубашки и мешалки, теплопритоки: 15 % сверх тепла продукта; k — запас в долях единицы, 0,10–0,20.
• V — расход воды через рубашку, м³/ч; Δt — нагрев воды в рубашке, принят 5 °C; 1,163 — теплоёмкость кубометра воды, кВт·ч/(м³·°C).

Пример расчёта

Котёл на 500 кг сиропа на водной основе, после варки 90 °C, на фасовку нужно 30 °C за 1,5 часа. Вода на рубашку 10 °C, запас 15 %.

1. Тепло продукта: 500 × 3,9 × (90 − 30) / (3600 × 1,5) = 21,67 кВт, округлённо 21,7 кВт.
2. Котёл и рубашка: 21,67 × 0,15 = 3,25 кВт.
3. Холодопроизводительность с запасом: (21,67 + 3,25) × 1,15 = 28,65 кВт, округлённо 28,7 кВт.
4. Расход воды: 28,65 / (1,163 × 5) = 4,93 м³/ч.

Как выглядит установка на 28,7 кВт — компрессоры, потребление, расход воды, габариты и масса — показано на странице чиллера 30 кВт; температуру воды там задают свою. Если котлов несколько и они остывают в разное время, суммарную нагрузку с коэффициентом одновременности собирает проект охлаждения.

Типовые ошибки

• Считать по полной массе котла. Чиллер считают по продукту за время охлаждения, а не по объёму котла: котёл на 1000 л с загрузкой 500 кг даёт вдвое меньше тепла. Масса стали учтена поправкой 15 %.
• Задавать время, которое не выдержит рубашка. Через рубашку 500-литрового котла передаётся 15–25 кВт при воде 10 °C; просить остывание за 20 минут бесполезно — чиллер будет стоять, а продукт остывать по рубашке. Теплопередачу через стенку считает расчёт теплообменника, а время остывания при известной мощности — расчёт времени охлаждения.
• Подавать воду сразу после варки. Вода 10 °C в рубашку котла при 95 °C даёт удар по стали и паровой стук в рубашке; первые минуты рубашку охлаждают обраткой или ставят смесительный узел — расчёт температуры смешения.
• Без бака при одном котле. Нагрузка идёт волнами: в начале охлаждения чиллер загружен полностью, к концу — на четверть, потом котёл моют. Чтобы компрессор не пускался каждые две минуты, ставят бак-аккумулятор по расчёту объёма; как такой же режим ведёт себя у реактора, разобрано в задаче о чиллере для химического реактора.