404 Not Found

Варка морской капусты. Расчеты.

Столкнулся с очередным проявлением безумного российского расточительства. Все мы знаем со времен просиживания штанов за школьными партами, что есть такой предмет как физика, я уже не говорю про одноименную науку. Так вот, я был одним из самых гадких прогульщиков школы, презиравшим почти все предметы кроме физкультуры. Когда можно было гонять в футбол в зале и подсматривать за девчонками в коротких трусиках, силясь что-то рассмотреть. Хотя обычно наслаждались предательски выкатывающимися зрелищами, имевшие освобождение девчонки. Но даже я как-то ухватил, что физика каким-то необыкновенным образом связяна с происходящими вокруг событиями. К примеру, меня всегда влекли электрические розетки. Да так сильно влекли, что это стало поводом на этом неплохо зарабатывать в настоящем.

Энергия, находящаяся в розетке, не бесплатна. Это понимают все. Речь идет о промышленных потребителях энергии, использующие электрическую энергию в деле различных производств. Коль уж так сложилось, что я занимаюсь проблемами производства пищевых продуктов, писать об этом и буду. Вообще с электрической энергией не все просто. Люди близкие к ИТР понимают, что электричества в розетках мало и его постоянно не хватает. К тому же мощные потребители требуют толстых проводов и связаных с этим расходов. Опять утянуло меня в лирику, к сути!

Попал я вчера на производство морской капусты. Основной технологической и энергозатратной процедурой при производстве является варка. Когда сушеную капусту забрасывают в котел и варят. В этот этап капуста набирает влагу, увеличиваясь в объеме, проходит стерилизацию.

Так вот любой производитель морской капусты хочет сократить расходы на энергию, расходующуюся на варку, используя просиженные на деревянных стульях юношеские штаны. В данном конкретном случае используется варочный котел объемом 1000 л, заполненный на 2/3 объема, скажем 700кг. В него вставляются две металлические сетки, в каждую из которых бросается блок сушеной морской капусты, производства КНР, весом 20 кг. Из 40 кг сушеной капусты получается 320 кг продукта (коэффициет набухания 1:7). То есть из 700 л 280 кг уходит в капусту. Должно остаться 420кг нагретой воды, которую можно будет использовать повторно. Но на деле остается около 320-350 кг! А, примерно, 70-100кг воды просто испаряется за время варки!

Фото 1. Котел во время варки.

Настала пора углубиться в расчеты. Представим нормальный расчетный процесс:

Технологически капусту загружают в горячую воду с температурой около 90⁰C градусов. Считаем через энтальпию (теплосодержание) воды. Из конечного теплосодержания 370 кДж/кг вычитаем начальное - 70 кДж/кг, получаем 300 кДж/кг. Переводим в привычные кВт/ч деля полученное число на количество секунд в часе: получаем 83,3Вт. Столько энергии тратится, чтобы согреть 1 л воды. Тут необходимо ввести коэффициент разумных потерь на обогрев масла в рубашке котла, рассеивание тепла. Полагаю, что цифра должна находится в районе 10%. Поэтому получаем около 90Вт на 1кг. Итого 700*90 = 63000Вт = 63 кВт. Сухое вещество в количестве 40 кг обладает низкой энтальпией. То есть потребует не более 2кВт тепла, что в сумме дает 65кВт. Технологически, для надежной стерилизации и должного набухания требуется 2 часа. За это время мы должны расходовать энергию только на компенсацию потерь. Предположим, что это будет 5% в час, то есть 3,2 кВт. За два часа – 6,5кВт. Всего на процесс получается 71,5кВт. Чтобы быть точным, надо добавить некоторое количество потерянных кВт на потери при первоначальном нагреве котла. Установленная мощность которого около 40 кВт. Получается, что нагреет 700 кг воды он за 94,5 минуты. Факторы усталости котла говорят о том, что мы должны рассчитывать на 2 часа. Что добавит к потерям еще около 7кВт. Итого на процесс мы получаем 85кВт электроэнергии. Получается, что на 1 кг продукта мы потратили на этой операции около 80кВт делим на 320кг готового продукта. Получаем 25 Вт на 1 кг. Что при цене за киловатт-час 2,38р. получается 60 копеек добавляет к себестоимости 1 кг.

Надо отметить, что для второй варки, когда в котле осталось 400 кг воды с температурой 90⁰C, добавляется 300 кг холодной воды, потребуется, приблизительно, 45 минут и 32кВт электроэнергии на подогрев воды до нужной температуры. Добавляем расход энергии на варку - 15кВт, получаем себестоимость второй варки: 47кВт делим 320 кг и умножаем на стоимость электричества, 2,38р. Получаем всего 35 копеек!

Что же происходит, когда технолог и инженер штаны на уроках не берег, ерзая тощим детским задом на стуле, но мыслями был со мной на физре с девчонками и мальчишками в коротких шортиках.

И вот уверенная, но не обремененная физическими мыслями рука выставляет регулятор температуры на 100⁰C, ведь «если варить, то при кипении воды»! Как будто 2-х часов при 90⁰C микробам и бактериям недостаточно для покидания этого света. Или диффузия воды в сухой продукт при 100⁰C значительно превышает диффузию при 90⁰C! Гадать о происходящем в голове крутящего бессмысленно. Но что же происходит? Отметим сразу, что технологическая цепочка остается той же.

К базовому процессу, описанному выше, добавляются расходы на нагрев воды с 90⁰C до 100⁰C – 41,9 кДж/кг. На 700 кг получаем 29330кДж или 8,14кВт. Может быть 8 кВт и 20 рублей не большое увеличение себестоимости - всего 6 копеек, хотя это добавило бы к процессу по 20 минут на каждом этапе нагрева, а это существенное снижение производительности! Но физика оказывается дамой вздорной и подбрасывает неожиданное коленце: при фазовом переходе из жидкого состояния в парообразное требуется значительное количество энергии, которое называется удельная теплота парообразования (испарения). Так вот, чтобы испарить 1 кг кипящей воды требуется сообщить ей 2260 кДж/кг. А это в 5 раз больше, чем нагреть воду с 15⁰C до 100⁰C! Так что каждый испаренный килограмм воды уносит в небо 0,627кВт или 1,5р или рупьпиисят. Так, а помните, куда девалось до 100 кг воды? Так вот они превратились летающие рубли, улетевшие в небо за одну варку, включая наши 6 копеек. И это вне зависимости от того, первая это варка или вторая. 150р разделить на 320 кг готового продукта получим стабильную прибавку к себестоимости в размере 40-50 копеек на килограмм.

Нельзя сбрасывать со счетов и срок службы оборудования и масла в рубашке. Ведь ТЭНы все время работают, передавая тепло от своей поверхности маслу-теплоносителю. Что значительно сокращает срок их службы и угрожает производственному циклу. Ведь выход из строя одного нагревателя удлиняет время нагрева и увеличивает потери тепла в режиме нагрева воды. А также масло теряет свои теплопереносные свойства. Это вызывает локальные перегревы вокруг поверхности нагревателя и образование сгустков масляного кокса, блокирующих теплоперенос. Что приводит к значительной потере эффективности варочного котла. Также нужно отметить, что неисправности в котлах нарастают лавинообразно. Одна поломка влечет за собой другую. Смотрите фотографии 2 и 3.

Фото 2. Дно варочного котла с вырезаными отверстиями.

Фото 3. Состояние ТЭНов варочного котла.

Придирчивый читатель может усомниться в моем глазомере (когда я определил потерю воды на уровне 100кг) и будет прав. Прогуляв все старшие классы, мне пришлось наверстывать упущенное, приобретая учебники по физике. А ведь когда-то они мне выдавались совершенно бесплатно! Убедившись, что задатчик температуры выставлен на уровне 100 градусов, я заметил что ТЭНы калорифера постоянно включены. Даже если бы в данном котле ТЭНы были бы установлены группами, то одна группа ТЭНов постоянно бы работала. В данном котле установлены две группы ТЭНов по 20кВт. Значит 20кВт х 2 часа = 40кВт. Отнимем из этой мощности компенсацию потерь 6,5 кВт, остается 34кВт или 81 рубль. Исходя из этой цифры, мы можем уверенно сказать, что 34 кВт потрачены на испарение воды, а это 54 кг за 2 часа!

Но я писал про потерю около 100 кг воды. Это связано с данными, полученными от обслуживающего персонала, которые я, при случае, обязательно проверю и расскажу в дополнительном материале.

Обсудить можно здесь: http://kirillwin.livejournal.com/13862.html

© Недосеков Кирилл, Техномастер, 2013