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 recepţionaţi=2900000 kg Durata campaniei este de 17 zile, iar un schimb durează 10 h -o zi=207142,9 kg Cantitatea de struguri recepţionaţi într -o Cantitatea de struguri prelucraţi pe oră=20714,29 oră=20714,29 kg/h S
1.Recepţia calitativă şi cantitativă
S - stuguri aduși la unitatea de vinificaţie Recepţiecalitativă şi cantitativă
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 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
Zdrobire - desciorchinare
P2 - pierderi la zdrobire - descirchinare SR = M + C + P 2 M = 19516,275 kg/h
M
6
C
P2
3.Sulfitare
M - mustuială
M
SO2
SO2 - cantitatea de SO 2 folosită M1 - mustuială sulfitată P3 - pierderi la sulfitare P3 = 0,03 %
Sulfitare P3 = 5,854883 kg/h
SO2 = 40 mg/kg
SO2 = 0,780651 kg/h
M1
P3
M + SO2 = M1 + P3 M1 = 19511,20077 kg/h 4. Scurgere mustuială M1
M1 - mustuială sulfitată Mr - must răvac B - boştina - boştina scursă
Scurgere mustuială
P4 - pierderi la scurgere 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 + P 4 B = M1 - Mr - P4 B = 7765,457906 kg/h 5. Presare discontinuă
B - boştina - boştina scursă
B
MPd - must de presă discontinuă Bpd - boștină presată presată ( presă discontinuă) discontinuă) MPd = 35 %
MPd = 2717,91kg/h
P5 = 0,8 %
P5 = 62,12366 kg/h
Presare discontinuă
B = MPd + BPd + P5 BPd = B - MPd - P5
MPd
7
Bpd
P5
3.Sulfitare
M - mustuială
M
SO2
SO2 - cantitatea de SO 2 folosită M1 - mustuială sulfitată P3 - pierderi la sulfitare P3 = 0,03 %
Sulfitare P3 = 5,854883 kg/h
SO2 = 40 mg/kg
SO2 = 0,780651 kg/h
M1
P3
M + SO2 = M1 + P3 M1 = 19511,20077 kg/h 4. Scurgere mustuială M1
M1 - mustuială sulfitată Mr - must răvac B - boştina - boştina scursă
Scurgere mustuială
P4 - pierderi la scurgere 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 + P 4 B = M1 - Mr - P4 B = 7765,457906 kg/h 5. Presare discontinuă
B - boştina - boştina scursă
B
MPd - must de presă discontinuă Bpd - boștină presată presată ( presă discontinuă) discontinuă) MPd = 35 %
MPd = 2717,91kg/h
P5 = 0,8 %
P5 = 62,12366 kg/h
Presare discontinuă
B = MPd + BPd + P5 BPd = B - MPd - P5
MPd
7
Bpd
P5
BPd = 4985,423976 kg/h 6. Presare continuă
BPd - boștină presată presată ( presă discontinuă) discontinuă) MSt1 - must ştuţ 1 MSt2 - must ştuţ 2 MSt3 - must ştuţ 3 T - tescovină MSt1 = 23 %
MSt1 = 1121,72 kg/h
MSt2 = 29 %
MSt2 = 1420,846 kg/h
MSt3 = 27 %
MSt3 = 1346,064 kg/h
Bpd
Presare continuă P6 = 0,8 %
P6 = 39,88339 kg/h BPd = MSt1 + MSt2 + MSt3 + T+ P 6 T = BPd - MSt1 - MSt2 - MSt3 - P6
MSt1
MSt2
MSt 3
T
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%
Asamblare
P7 = 31,0927 kg/h Mr + MSt1 + MPd = M + P7 M = Mr + MSt1 + MPd - P7
M = 15515,25842 kg/h
M
8. Limpezire-deburbare Limpezire-deburbare
M -must asamblat
P7
M
B - burbă
ML - must limpezit
Limpezire - deburbare
P8 - pierderi la limpezire P8 = 0,8 %
P8 = 124,1221 kg/h
B = 1,3 %
B = 201,6984 kg/h
ML
8
B
P8
P6
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
Limpezire - deburbare
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
Tragerea vinului de pe drojdie
VCSL = VCSLF + D1 + P10 VCSLF = VCSL - D1 - P10
VCSLF
D1
P10
VCSLF = 14061,91082kg/h Obț inerea vinului de consum curent 11. Limpezire-deburbare
MSt2 - must ştuţ 2
MSt2
B - burbă
MLCC - must limpezit de consum curent
Limpezire - deburbare
P11 - pierderi la limpezire P11 = 0,8 %
P11 = 11,36677 kg/h
B = 1,3 %
B = 18,471 kg/h MSt2 = MLCC + B + P 11 9
MLCC
B
P11
MLCC = 1391,008kg/h 12. Fermentaţia alcoolică:
MLCC - must limpezit de consum curent
MLCC
D2
D2 - drojdie VCC - vin de consum curent
Fermentaţia alcoolică
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
Tragereavinului de pedrojdie
VCC = VCCF + D3 + P13 VCCF = VCC - D3 - P13 VCCF = 1264,642kg/h
VCCF
D3
Obț inerea vinului pentru industrializare 14. Fermentaţia alcoolică:
MSt3 - must ştuţ 3
MSt3
D4
D4 - drojdie VI - vin pentru industrializare
Fermentaţia alcoolică
P14 - pierderi la fermentare P14 = 4,9 %
P14 = 65,95716 kg/h
D4 = 3 %
D4 = 40,38kg/h MSt3 + D4 = VI + P14
VI=1239,73 kg/h 10
VI
P14
P13
Prezentarea tabelară a bilanțului de materiale pentru vinul de calitate superioară licoros Nr.crt.
Denumirea operației
MATERIALE INTRATE Material S
U.M
im
V a lo
b
a re l
Recepţia calitativă şi cantitativă
Struguri aduși la unitatea de vinificaţie
S
kg/h
20714,29
Recepţia calitativă şi cantitativă
2
Zdrobire desciorchinare
Struguri recepţionaţi
SR
kg/h
20652,14
Zdrobire desciorchinare
3
Sullfitare
Mustuială
M
kg/h
19516,28
Dioxid de sulf Mustuială sulfitată
SO2 M1
kg/h kg/h
0,78 19511,20
Scurgere mustuială
lo
o
1
V a
b
re l
U.M
im
a o
4
MATERIALE IEŞITE Material S
Denumirea operației
Struguri recepţionaţi
SR
kg/h
20652,14
P1 M C P2
kg/h kg/h kg/h kg/h
62,14 19516,28 1032,61 103,26
Sullfitare
Pierderi la recepţie Mustuială Ciorchini Pierderi la zdrobire-descirchinare Mustuială sulfitată
M1
kg/h
19511,20
Scurgere mustuială
Pierderi la sulfitare Must răvac
P3 Mr
kg/h kg/h
5,85 11706,72
Boştina scursă Pierderi la scurgere mustuială
B P4
kg/h kg/h
7765,46 39,02
MPd
kg/h
2717,91
Bpd
kg/h
4985,42
91
5
6
7
8
Presare discontinuă
Presare continuă
Asamblarea mustului pentru vinul de caliatate superioară
Limpezire-deburbare
Boştina scursă
Boștină presată (presă discontinuă)
B
Bpd
kg/h
kg/h
7765,46
4985,42
Must răvac
Mr
kg/h
11706,72
Must de presă discontinuă
MPd
kg/h
2717,91
Must ştuţ 1
MSt1
kg/h
1121,72
Must asamblat
M
kg/h
15515,26
9
Fermentaţia alcoolică
Must limpezit
ML
kg/h
15189,44
10
Tragerea vinului de pe drojdie
Drojdie Vin de calitate superioară
D VCSL
kg/h kg/h
683,52 15235,01
92
Presare discontinuă
Must de presă discontinuă Boștină presată (presă discontinuă) Pierderi la presarea discontinuă Must ştuţ 1
P5
kg/h
62,12
MSt1
kg/h
1121,72
Must ştuţ 2
MSt2
kg/h
1420,85
Must ştuţ 3
MSt3
kg/h
1346,06
T P6
kg/h kg/h
1056,91 39,88
Asamblarea mustului pentru vinul de caliatate superioară
Tescovină Pierderi la presarea continuă Must asamblat
M
kg/h
15515,26
Pierderi la asamblare
P7
kg/h
31,09
Limpezire-deburbare
Must limpezit
ML
kg/h
15189,44
Burbă Pierderi la limpezire
B P8
kg/h kg/h
201,70 124,12
Vin de calitate superioară
VCSL
kg/h
15235,01
Pierderi la fermentare Vin de calitate superioară final
P9 VCSLF
kg/h kg/h
637,96 14061,91
Drojdie rezultată de la fermentare
D1
kg/h
1066,45
Pierderi la tragerea de pe drojdie
P10
kg/h
106,65
Presare continuă
Fermentaţia alcoolică
Tragerea vinului de pe drojdie
5
6
7
8
Presare discontinuă
B
Boştina scursă
Presare continuă
Bpd
Boștină presată (presă discontinuă)
Asamblarea mustului pentru vinul de caliatate superioară
Limpezire-deburbare
kg/h
7765,46
kg/h
4985,42
Must răvac
Mr
kg/h
11706,72
Must de presă discontinuă
MPd
kg/h
2717,91
Must ştuţ 1
MSt1
kg/h
1121,72
Must asamblat
M
kg/h
15515,26
9
Fermentaţia alcoolică
Must limpezit
ML
kg/h
15189,44
10
Tragerea vinului de pe drojdie
Drojdie Vin de calitate superioară
D VCSL
kg/h kg/h
683,52 15235,01
MPd
kg/h
2717,91
Bpd
kg/h
4985,42
P5
kg/h
62,12
MSt1
kg/h
1121,72
Must ştuţ 2
MSt2
kg/h
1420,85
Must ştuţ 3
MSt3
kg/h
1346,06
T P6
kg/h kg/h
1056,91 39,88
Asamblarea mustului pentru vinul de caliatate superioară
Tescovină Pierderi la presarea continuă Must asamblat
M
kg/h
15515,26
Pierderi la asamblare
P7
kg/h
31,09
Limpezire-deburbare
Must limpezit
ML
kg/h
15189,44
Burbă Pierderi la limpezire
B P8
kg/h kg/h
201,70 124,12
Vin de calitate superioară
VCSL
kg/h
15235,01
Pierderi la fermentare Vin de calitate superioară final
P9 VCSLF
kg/h kg/h
637,96 14061,91
Drojdie rezultată de la fermentare
D1
kg/h
1066,45
Pierderi la tragerea de pe drojdie
P10
kg/h
106,65
Presare discontinuă
Presare continuă
Fermentaţia alcoolică
Tragerea vinului de pe drojdie
Must de presă discontinuă Boștină presată (presă discontinuă) Pierderi la presarea discontinuă Must ştuţ 1
92
Prezentarea tabelară a bilanțului de materiale pentru vinul de consum curent 11
12
Limpezire-deburbare
Tragerea vinului de pe drojdie
Vin de consum curent
VCC
MSt2
kg/h
1420,85
Must limpezit
ML
kg/h
1391,01
kg/h
Pierderi la fermentare Vin de consum curent final Drojdie rezultată de Tragerea vinului de pe la fermentare 1370,14 drojdie
Fermentaţia alcoolică
Drojdie
13
MLCC B P11
Must stuţul 2
Fermentaţia alcoolică
Limpezire-deburbare
Must limpezit Burbă Pierderi la limpezire
D2
Vin de consum curent
VCC
kg/h
41,73
Pierderi la tragerea de pe drojdie
P12 VCCF D3 P13
kg/h kg/h kg/h
1391,01 18,471 11,37
kg/h
1370,14
kg/h
62,60
kg/h
1264,64
kg/h
95,91
kg/h
9,59
Prezentarea tabelară a bilanțului de materiale pentru vinul pentru industrie
14
Fermentaţia alcoolică
Must ştuţul 3
MSt3
kg/h
1468,47
Drojdie
D
kg/h
44,05
Fermentaţia alcoolică
93
Vin pentru industrializare Pierderi la fermentare
VI
kg/h
1440,56
P14
kg/h
71,95
Prezentarea tabelară a bilanțului de materiale pentru vinul de consum curent 11
12
Limpezire-deburbare
Must stuţul 2
MSt2
kg/h
1420,85
Must limpezit
ML
kg/h
1391,01
Fermentaţia alcoolică
Fermentaţia alcoolică
Drojdie
13
Tragerea vinului de pe drojdie
Limpezire-deburbare
D2
Vin de consum curent
VCC
Must limpezit Burbă Pierderi la limpezire
MLCC B P11
Vin de consum curent
VCC
Pierderi la fermentare Vin de consum curent final Drojdie rezultată de Tragerea vinului de pe la fermentare 1370,14 drojdie
kg/h
41,73
kg/h
Pierderi la tragerea de pe drojdie
P12 VCCF D3 P13
kg/h kg/h kg/h
1391,01 18,471 11,37
kg/h
1370,14
kg/h
62,60
kg/h
1264,64
kg/h
95,91
kg/h
9,59
Prezentarea tabelară a bilanțului de materiale pentru vinul pentru industrie
14
Fermentaţia alcoolică
Must ştuţul 3
MSt3
kg/h
1468,47 Fermentaţia alcoolică
Drojdie
D
kg/h
44,05
Vin pentru industrializare Pierderi la fermentare
VI
kg/h
1440,56
P14
kg/h
71,95
93
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:
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:
SR - cantitatea de struguri recepționați, kg/h
Vt - cantitatea totală de vin obţinută (VCSLF+VCCF+VI)kg/h
kg struguri/ kg vin
2. Consumul specific de SO 2 :
SO2- cantitatea de SO2 folosită la sulfitare, kg/h Vt – cantitatea totală de vin obţinută , kg/h
kg SO2 / kg vin
3. Consumul specific de drojdii:
Unde:
D - cantitatea totală de drojdii folosită, kg/h Vt - cantitatea totală de vin obţinută , kg/h
94
kg drojdie/ kg vin
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.
unde:
Q mi -căldura mustului, [kJ/şarjă] Q r - căldura degajată din reacţie, [kJ/şarjă] Q mf - căldura ieşită din must după
fermentare, [kJ/şarjă]
Q pp -căldura pierdută prin pereţii vasului, Qp CO2 -
[kJ/şarjă]
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:
√ √ ( ) Aria totală a cisternei este:
( ) 95
A.
Căldura intrată cu mustul inițial
unde:
M m - şarja de must care intră în cisterna de fermentare, cm - capacitatea calorică masică a mustului,
[kg];
[J/kg∙K]
t m - temperatura de intrare a mustului, °C t m=15°C t ext = 12°C must
=1082 kg/m 3 pentru mustul asamblat la 15°C ( V.Macovei , „Culegere de
caracteristici termofizice pentru biotehnologie şi industria alimentară" pag. 127).
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
Q rf - cantitatea de căldură degajată la fermentare [kJ/şarjă] Q rr - cantitatea de căldură degajată la respiraţie [kJ/şarjă]
Reacția biochimică la fermentare este următoarea:
Are loc eliberarea a 23,5∙4,186=98,37 kJ/kg
Reacţia biochimică la respiraţie este următoarea:
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
95% din zahărul mustului va fi transformat în alcool
96
1% din zahărul mustului va fi folosit la respirația drojdiilor
Se va calcula cantitatea de căldură degajată la fermentaţie:
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
Se va calcula cantitatea de căldură degajată la respiraţie:
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
Cantitatea de căldură degajată din reacţie:
C. Cantitatea de căldură pierdută prin degajare de CO 2
unde:
M CO2umed - cantitatea de CO 2 umed degajată [ kJ/şarjă] c CO2 - capacitatea calorică masică a CO 2 [j/kg∙K] t CO2 - temperatura dioxidului de carbon, t CO2= 15 °C
unde:
M CO2f - cantitatea de CO2uscat degajat la fermentare,
97
[kg/ şarjă]
M CO2r - cantitatea de CO 2 degajat la respiraţia drojdiilor, [kg/șarjă]
Se va calcula cantitatea de CO 2 uscat degajat la fermentare din reacţie, pentru cantitatea de zahăr necesară fermentaţiei: Fermentare:
180 kg C 6H12O6 ...................2∙44 kg CO2 5329,5 C6Hl206 .................... x x= MCO2f =2605,53 [kg CO2]
din această cantitate 30% este reţinută în must, deci:
Se va calcula cantitatea de CO 2 uscat degajat la respiraţia drojdiilor, pentru cantitatea de zahăr necesară la respiraţia drojdiilor: Respiraţie:
180 kg C 6Hl206 ............6∙44kg CO2 56,10 kg C6H1206 ............. y y= M CO2r = 82,28 [kg CO 2]
Se calculează pierderile de alcool şi apă pentru o şarjă:
unde:
xs -conţinutul de umezeală al
CO2
xs =0,0167 [kg/şarjă]
D.Cantitatea de căldură degajată prin pereţii cisternei metalice
unde:
98
k -
coeficient total de transfer termic, [W/m 2∙K]
A- aria totală a cisternei metalice, [m
2
] A = 56,52 m2
t med -diferenţa între temperatura mustului şi
temperatura mediului exterior, [°C]
t must = 15°C t ext = 12°C - timpul de fermentare, [s] = 14 zile
Coeficientul total de transfer termic de căldură se calculează cu formula:
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] δ p- grosimea peretelui, [m] ; λ p- conductivitatea termică a materialului din care este construită cisterna,
unde:
[W/m∙K]
d e - diametru echivalent, m; d e = D = 3m
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: 99
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”]
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
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:
t=15-12=3°C
100
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.
unde: W a - debitul apei de răcire a apei, kg/s; ca - căldura specifică a apei, t a
kJ/ kg∙K;
- diferenţa de temperatură între temperatura apei la ieşire şi temperatura apei la
intare în cisternă, °C; r -timpul aferent răcirii, 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.
unde:
Q mi -căldura mustului, [kJ/şarjă] Q r - căldura degajată din reacţie, [kJ/şarjă] Q mf - căldura ieşită din must după fermentare, [kJ/şarj ] Q pp -căldura pierdută prin pereţii vasului, Qp CO2 -
[kJ/şarjă]
căldura pierdută prin degajare de CO2 , [kJ/şarjă]
Fermentarea are loc în cisterne metalice cu volum total de 2 0000 1. La fermentare se lasă un gol de fermentare =0,90. 101
Vt =20000 1
Vu=∙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:
√ √ ( ) ( ) Aria totală a cisternei este:
A. Căldura intrată cu mustul inițial
unde: M m - şarja de must care intră în cisterna de fermentare,
[kg];
c m - capacitatea calorică masică a mustului , [J/kg∙K] t m - temperatura de intrare a mustului, °C t m= 15°C t ext = 12°C 3
must =1107 kg/m
pentru mustul de ștuț II la 15°C ( V.Macovei , „Culegere de caracteristici
termofizice pentru biotehnologie şi industria alimentară" pag. 127).
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). 102
B.
Cantitatea de căldură degajată prin reacții biochimice
Qrf - cantitatea de căldură degajată la fermentare [kJ/şarjă] Qrr- cantitatea de căldură degajată la respiraţie [kJ/şarjă] Reacția biochimică la fermentare este următoarea
Are loc eliberarea a 23,5∙4,186=98,37 kJ/kg
Reacţia biochimică la respiraţie este următoarea:
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
95% din zahărul mustului va fi transformat în alcool
1% din zahărul mustului va fi folosit la respirația drojdiilor
Se va calcula cantitatea de căldură degajată la fermentaţie:
180g zahăr ..... 2∙44g CO2............................. 23,5kcal (23,5∙4,186 = 98,37 kJ/kg) 1000g zahăr .......... x..........................................y
103
x = 488,88 g CO2 y = 546,50 kJ/kg
Se va calcula cantitatea de căldură degajată la respiraţie:
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
Cantitatea de căldură degajată din reacţie:
C. Cantitatea de căldură pierdută prin degajare de CO 2
unde:
M CO2umed - cantitatea de CO 2 umed degajată [ kJ/şarjă] cCO2- capacitatea calorică masică a CO 2 [j/kg∙K] t CO2- temperatura dioxidului de carbon, t CO2= 15 °C
unde:
M CO2f - cantitatea de CO 2uscat degajat la fermentare,
[kg/ şarjă]
M CO2r - cantitatea de CO 2 degajat la respiraţia drojdiilor, [kg/șarjă]
Se va calcula cantitatea de CO 2 uscat degajat la fermentare din reacţie, pentru cantitatea de zahăr necesară fermentaţiei: Fermentare:
180 kg C6H12O6 ...............................2∙44 kg CO2 3420 C6Hl206................................... x 104
x= M CO2f =1672 [kg CO2]
din această cantitate 30% este reţinută în must, deci:
Se va calcula cantitatea de CO 2 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]
Se calculează pierderile de alcool şi apă pentru o şarjă:
unde:
xs -conţinutul de umezeală al xs =0,00288
CO2
[kg/şarjă]
[ ]
D. Cantitatea de căldură degajată prin pereţii cisternei metalice
unde: k -
coeficient total de transfer termic, [W/m 2∙K]
A- aria totală a cisternei metalice, [m
2
] A = 41,49 m 2
t med -diferenţa între temperatura mustului şi
temperatura mediului exterior, [°C]
t must = 18°C
105
t ext = 15°C - timpul de fermentare, [s] = 14 zile
Coeficientul total de transfer termic de căldură se calculează cu formula:
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] δ p- grosimea peretelui, [m] ; λ p- conductivitatea termică a materialului din care este construită cisterna,
unde:
[W/m∙K]
d e - diametru echivalent, m; d e = D = 3m
unde: Gr - criteriul Grashoff;
g - acceleraţia gravitaţională, [m/s2]; 2
- vâscozitatea cinematică a vinului, [m /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]
() 106
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
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:
t=18-15=3°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.
107
unde:
W a - debitul apei de răcire a apei, kg/s; ca - căldura specifică a apei, kJ/ kg∙K; t a
- diferenţa de temperatură între temperatura apei la ieşire şi temperatura apei la intare în
cisternă, °C; r -timpul aferent răcirii, 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.
unde:
Q mi -căldura mustului, [kJ/şarjă] Q r - căldura degajată din reacţie, [kJ/şarjă] Q mf - căldura ieşită din must după
fermentare, [kJ/şarjă]
Q pp - căldura pierdută prin pereţii vasului, Qp CO2 -
[kJ/şarjă]
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 Vu=∙Vt= 0,95∙15000=14250 1 Cisternele metalice nu sunt standardizate. Impunem H/D=l,5. 108
Volumul cisternei apreciată aproximativ cu un cilindru) este:
√ √ ( ) ( ) Aria totală a cisternei este:
A. Căldura intrată cu mustul inițial
unde: M m - şarja de must care intră în cisterna de fermentare, [kg]; cm - capacitatea calorică masică a mustului, [J/kg∙K] t m - temperatura de intrare a mustului, °C t m=18°C t ext = 15°C must =1085 kg/m
3
pentru mustul de ștuț III 15°C ( V.Macovei , „Culegere de caracteristici
termofizice pentru biotehnologie şi industria alimentară" pag. 127).
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).
B.
Cantitatea de căldură degajată prin reacții biochimice
Qrf - cantitatea de căldură degajată la fermentare [kJ/şarjă] 109
Qrr- cantitatea de căldură degajată la respiraţie [kJ/şarjă] Reacția biochimică la fermentare este următoarea:
Are loc eliberarea a 23,5∙4,186=98,37 kJ/kg
Reacţia biochimică la respiraţie este următoarea:
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
95% din zahărul mustului va fi transformat în alcool
1% din zahărul mustului va fi folosit la respirația drojdiilor
Se va calcula cantitatea de căldură degajată la fermentaţie:
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
Se va calcula cantitatea de căldură degajată la respiraţie:
180g zahăr ..... 6∙44g CO2............................. 674 kcal (674∙4,186 =2821,36 kJ/kg) 110
1000g zahăr .......... a..........................................b a =1466,67g CO2 b = 15674,22 kJ/kg
Cantitatea de căldură degajată din reacţie:
C.Cantitatea de căldură pierdută prin degajare de CO 2
unde:
M CO2umed - cantitatea de CO 2 umed degajată [ kJ/şarjă] cCO2- capacitatea calorică masică a CO 2 [j/kg∙K] t CO2- temperatura dioxidului de carbon, t CO2= 15 °C
unde:
M CO2f - cantitatea de CO 2uscat degajat la fermentare,
[kg/ şarjă]
M CO2r - cantitatea de CO 2 degajat la respiraţia drojdiilor, [kg/șarjă]
Se va calcula cantitatea de CO 2 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= M CO2f =992,75 [kg CO2]
din această cantitate 30% este reţinută în must, deci:
Se va calcula cantitatea de CO 2 uscat degajat la respiraţia drojdiilor, pentru cantitatea de zahăr necesară la respiraţia drojdiilor: Respiraţie:
180 kg C6 H l2O6 ...................... 6∙44kg CO2 21,38 kg
C 6 H 1 2 O 6 ...................... y 111
y= MCO2r= 31,35 [kg CO2]
Se calculează pierderile de alcool şi apă pentru o şarjă:
unde:
xs -conţinutul de umezeală al xs =0,00288
CO2
[kg/şarjă]
C. Cantitatea de căldură degajată prin pereţii cisternei metalice
unde: k -
coeficient total de transfer termic, [W/m 2∙K]
A- aria totală a cisternei metalice, [m
2
] A = 41,49 m 2
t med -diferenţa între temperatura mustului şi
temperatura mediului exterior, [°C]
t must = 18°C t ext = 15°C - timpul de fermentare, [s] = 14 zile
Coeficientul total de transfer termic de căldură se calculează cu formula:
unde: α1
- coeficient parţial de transfer termic prin convecție liberă de la must la pereţii vasului,
[W/m2∙K] 112
α2
- coeficient parţial de transfer termic prin convecţie liberă de la pereţii vasului la mediul
înconjurător, [W/m2∙K] δ p- grosimea peretelui, [m] ; λ p- conductivitatea termică a materialului din care este construită cisterna,
unde:
[W/m∙K]
de - diametru echivalent, m; de = D = 3m
unde: Gr - criteriul Grashoff;
g - acceleraţia gravitaţională, [m/s2]; 2
- vâscozitatea cinematică a vinului, [m /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]
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=214321294914,60
Pentru Gr∙Pr > 109 => regim turbulent: c=0,135 n=0,33
113
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:
t=18-15=3°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.
unde: 114
