水、汽的用量如何计算？

一、用水量计算的意义、方法、步骤和实例

（一）水用量计算的意义

食品生产中，水是必不可少的物料。因为食品生产过程涉及的物理方法和生化反应，都必须有水的存在，不管是原料的预处理、加热、杀菌、冷却、培养基的制备、设备和食品生产车间的清洗等都需要大量的水。可以说，没有水就没有食品，食品生产就无法进行。例如，每生产1t肉类罐头，用水量在35t以上；每生产1t啤酒，用水量在10t以上（不包括麦芽生产）；每生产1t软饮料，用水量在7t以上；每生产1t全脂奶粉，用水量在130t以上。

食品生产车间用水量的多少，是随产品种类而异。如乳品厂的主要用水部分有：原料乳的冷却用水、加工工艺用水、管道设备清洗用水、车间的清洁卫生用水等等。还有如烘焙食品厂用水：配料用水、设备清洗用水、车间的清洁卫生用水等等。

在食品加工中，无论是原料的预处理、蒸煮、糖化等过程，都有原料的最佳配比、物料浓度范围，故加水量必须严格控制。例如，啤酒生产、麦芽或大米等糊化和糖化的料水比有较严格的定量关系。所以，对于食品生产来说，水的计算是十分重要的，并且与物料衡算、热量衡算等工艺计算以及设备的计算和选型、产品成本、技术经济等均有密切关系。

（二）水用量计算的方法和步骤

根据食品生产工艺、设备或规模不同，生产过程用水量也随之改变，有时差异很大。即便是同一规模、工艺也相同的食品厂，单位成品耗水量往往也大不相同。所以在工艺流程设计时，必须妥善安排，合理用水，尽量做到一水多用。水用量计算的方法有两种：即按“单位产品耗水量定额”来估算和计算的方法。

对于规模小的食品工厂，在进行水用量计算时可采用“单位产品耗水量定额”估算法，可分为三个步骤，即按单位吨产品耗水量来估算、按主要设备的用水量来估算和按食品工厂生产规模来拟定给水能力。

对于规模较大的食品工厂，在进行水用量计算时必须采用计算的方法，保证用水量的准确性。方法和步骤如下：

（1）弄清题意和计算的目的及要求。要充分了解水用量计算的目的要求，从而采用何种计算方法，例如，要做一个生产过程设计，当然就要对整个过程和其中的每一个设备做详细的用水量计算，计算项目要全面、细致，以便为后一步设备计算提供可靠依据。

（2）绘出用水量计算流程示意图。为了使研究的问题形象化和具体化，使计算的目的正确、明了，通常使用框图显示所研究的系统。图形表达的内容应准确、详细。

（3）收集设计基础数据。需收集的数据资料一般应包括：生产规模，年生产天数，原料、辅料和产品的规格、组成及质量等。

（4）确定工艺指标及消耗定额等。设计所需的工艺指标、原材料消耗定额及其他经验数据，根据所用的生产方法、工艺流程和设备，对照同类生产工厂的实际水平来确定，这必须是先进而又可行的。

（5）选定计算基准。计算基准是工艺计算的出发点，选的正确，能使计算结果正确，而且可使计算结果大为简化。因此，应该根据生产过程特点，选定统一的基准。在工业上，常有的基准有：

①以单位时间产品或单位时间原料作为计算基准。

②以单位重量、单位体积或单位摩尔的产品或原料为计算基准。如肉制品生产用水量计算，可以以100kg原料来计算。

③以加入设备的一批物料量为计算基准，如啤酒生产就可以投入糖化锅、发酵罐的每批次用水量为计算基准。

（6）由已知数据，根据质量守恒定律进行用水量计算。此计算既适用于整个生产过程，也适用于某一个工序和设备根据质量守恒定律列出相关数学关联式，并求解。

（7）校核与整理计算结果，列出水用量计算表。

在整个水用量计算过程中，对主要计算结果都必须认真校核，以保证计算结果准确无误。一但发现差错，必须及时重算更正，否则将耽误设计进度。最后，把整理好的计算结果列成水用量计算表。

（三）水用量计算实例

1.“单位产品耗水量定额”估算实例

“单位产品耗水量定额”实例见表3-32、表3-33和表3-34。

表3-32　部分乳制品平均吨成品耗水量

注：（1）以上指生产用水，不包括生活用水。
（2）南方地区气温高，冷却水用量大，应取较大值。

表3-33　部分设备的用水量

注：以上均指设备本身用水，不包括其他生产用水和生活用水。

以上三例“单位产品耗水量定额”实例的用水数值只供参考。

表3-34　部分食品的给水能力表

注：（1）以上均指生产用水，不包括生活用水。
（2）南方地区气温高，冷却水量较大，应取最大值。

2.用水量计算实例

以5000t/年啤酒为计算基准，混合原料质量为1421kg。

（1）耗水量计算：100kg混合原料大约需用水量400kg。

糖化用水量=1421×400/100=5684（kg）

糖化用水时间设为0.5h，故：

每小时最大用水量=5684/0.5=11370（kg/h）

（2）洗槽用水：100kg原料约用水450kg，则需用水量：

1421×450/100=6394.5（kg）

用水时间为1.5h，则每小时：

洗槽最大用水量=6394.5/1.5=4263（kg/h）

（3）糖化锅洗刷用水：有效体积为20m3的糖化锅及其设备洗刷用水每糖化一次，用水约6t，用水时间为2h，故：

洗刷最大用水量=6/2=3（t/h）

（4）沉淀槽冷却用水：

式中　热麦汁放出热量Q=GP·CP（t′1-t′2）

热麦汁相对密度C麦汁=1.043

热麦汁量Gp=8525×1.043=8892（kg/h）

热麦汁比热容cp=4.1［kJ/（kg·K）］

冷却水温度t1=18℃t2=45℃

冷却水比热容c=4.18（kJ/kg·K）

Q=8892×4.1（100-55）=1640574（kJ/h）

（5）沉淀槽洗刷用水：每次洗刷用水3.5t，冲洗时间设为0.5h，则每小时最大用水量=3.5/0.5=7（t/h）

（6）麦汁冷却器冷却用水：

麦汁冷却时间设为1h，麦汁冷却温度为55℃→6℃

分两段冷却，第一段：麦汁温度55℃→25℃

冷水温度18℃→30℃

冷却水用量：

麦汁放出热量：

式中　麦汁量Gp=8892kg

麦汁比热容cp=4.1kJ（kg·K）

水的比热容c=4.18kJ（kg·K）

冷却水温度t1=18℃t2=30℃

麦汁冷却时间τ=1h

（7）麦汁冷却器冲刷用水：设冲刷一次，用水1t，用水时间为0.5h，则：

最大用水量为：4/0.5=8（t/h）

（8）酵母洗涤用水（无菌水）：

每天酵母泥最大产量约300L，酵母贮存期每天换水一次，新收酵母洗涤4次，每次用水量为酵母的2倍，则连续生产每天用水量：（4+1）×300×2=3000（L）

设用水时间为1h，故最大用水量为3（t/h）

（9）发酵罐洗刷用水：每天冲刷体积为10m3的发酵罐2个，每个用水2t，冲刷地面共用水2t，每天用水量=2×2+2=6（t）

用水时间设为1.5h，最大用水量=6/1.5=4（t/h）

（10）贮酒罐冲刷用水：

每天冲刷体积为10m3的贮酒罐一个，用水为2t，管路及地面冲刷用水1t，冲刷时间为1h，最大用水量为：2+1=3（t/h）

（11）清酒罐冲刷：每天使用体积为2.5m3的清酒罐4个，冲洗一次，共用水4t，冲刷时间为40m，则最大用水量：4×60/40=6（t/h）

（12）过滤机用水：过滤机2台，每台冲刷一次，用水3t（包括顶酒用水），使用时间为1.5h，则最大用水量=2×3/1.5=4（t/h）

（13）洗棉机用水：

①洗棉机放水量m1；

m1=洗棉机体积-滤饼体积（滤饼20片）

=5.3-［π/4×（0.525）2×0.05×40］

=5.3—0.433

=4.867（m3）≈4.867（t）

②洗棉过程中换水量m2：

取换水量为放水量的3倍：

m2=3×m1=3×4.867=14.6（t）

③洗棉机洗刷用水m3：

每次洗刷用水m3=1.5（t）

④洗棉机每日用水量m：

淡季洗棉机开一班，旺季开两班，则用水量：

m=2（m1+m2+m3）

=2（4.867+14.6+1.5）

=41.93（t）

在洗棉过程中，以换水洗涤时的耗水量最大，设换水时间为2h，则每小时最大用水量为：14.6/2=7.3（t/h）。

（14）鲜啤酒桶洗刷用水：旺季每天最大产啤酒量22.5t（三锅量），其中鲜啤酒占50%（设桶装占70%），则桶装啤酒为：

22.5×50%×70%=7.875（t）=7875（L）

鲜啤酒桶体积为20L/桶：

所需桶数=7875/20=393.8（桶/d）

冲桶水量为桶体积1.5倍：

每日用水量=393.8×0.02×1.5=11.81（t）

冲桶器每次同时冲洗2桶，冲洗时间为1.5m，故：

每小时用水量=0.02×1.5×60/1.5=1.2（t/h）

（15）洗瓶机用水：按设备规范表，洗瓶机最大生产能力为3000瓶/h（最高线速），冲洗每个瓶约需水1.5L，则：

用水量=3000×1.5=4500（L/h）

以每班生产7h计，总耗水量=4500×7=31500（L）

（16）装酒机用水：每冲洗一次，用水2.5t，每班冲洗一次，每次0.5h，最大用水量=2.5/0.5=5（t/h）

（17）杀菌机用水：杀菌机每个瓶耗水量以1L计算，则：

用水量=3000×1=3000（L/h）

=3000×7=21000（L/班）

（18）其他用水：包括冲洗地面、管道冲刷、洗滤布，每班需用水10t，设用水时间为2h，则每小时用水量=10/2=5（t/h）

把上述计算结果整理成用水量计算表，如表3-35所示。

表3-35　5000t/年啤酒厂啤酒车间用水量计算表

二、用汽量计算的意义、方法、步骤和实例

（一）用汽量计算的意义

用汽量计算的目的在于定量研究生产过程，为过程设计和操作提供最佳化依据。通过用汽量计算，计算生产过程能耗定额指标。应用蒸汽等热量消耗指标，可对工艺设计的多种方案进行比较，以选定先进的生产工艺；或对已投产的生产系统提出改造或革新，分析生产过程的经济合理性、过程的先进性，并找出生产上存在的问题。用汽量计算的数据是设备类型的选择及确定其尺寸、台数的依据。用汽量计算也是组织和管理、生产、经济核算和最优化的基础。用汽量计算的结果有助于工艺流程和设备的改进，达到节约能源、降低生产成本的目的。

（二）用汽量计算的方法和步骤

根据食品生产工艺、设备或规模不同，生产过程用汽量也随之改变，有时差异很大。即便是同一规模、工艺也相同的食品厂，单位成品耗汽量往往也大不相同。所以在工艺流程设计时，必须妥善安排，合理用汽。用汽量计算的方法有两种：即按“单位产品耗汽量定额”来估算和计算的方法。

对于规模小的食品工厂，在进行用汽量计算时可采用“单位产品耗汽量定额”估算法，可分为三个步骤，即按单位吨产品耗汽量来估算、按主要设备的用汽量来估算和按食品工厂生产规模来拟定给汽能力。

对于规模较大的食品工厂设计时，在进行用汽量计算时必须采用计算的方法，保证用汽量的准确性。方法和步骤如下：

和用水量计算一样，用汽量计算也可以做全过程的或单元设备的用汽量计算。现以单元设备的用汽量计算为例加以说明，具体的方法和步骤如下：

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，写出热量计算式

ΣQ入=ΣQ出+ΣQ损

式中　ΣQ入——输入的热量总和，（kJ）；

ΣQ出——输出的热量总和，（kJ）；

Σ Q损——损失的热量总和，（kJ）。

通常ΣQ入=Q1+Q2+Q3

Σ Q出=Q4+Q5+Q6+Q7

ΣQ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）。

值得注意的是，对具体的单元设备，上述的Q1～Q8各项热量不一定都存在，故进行热量计算时，必须根据具体情况进行具体分析。

3.收集数据

为了使热量计算顺利进行，计算结果无误和节约时间，首先要收集数据，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中查阅，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

在热量计算中，取不同的基准温度，按照热量计算式所得的结果就不同。所以必须选准一个设计温度，且每一物料的进出口基准温度必须一致。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做基准进行计算。

5.进行具体的热量计算

（1）物料带入的热量Q1和带出热量Q4可按下式计算，即：

Q=Σm1c1t

式中　m1——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；

Qs——搅拌热Qs=3600Pη（kJ）。

其中P为搅拌功率，（kW）；η为搅拌过程功热转化率，

通常η=92%

（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=m2c2（t2-t1）

式中　m2——设备总质量，kg；

c2——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=Σm3（c3t+r）

式中　m3——离开设备的气体物料（如空气、CO2等）量，kg；

c3——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。

（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：(www.xing528.com)

Q8=AλT（tw-ta）τ

式中　A——设备总表面，m；

λ T——壁面对空气的联合热导率，W/（m·℃）；

tw——壁面温度，℃；

ta——环境空气温度，℃。

λT的计算：

①空气作自然对流，λT=8+0.05tw

τ——操作过程时间，s。

（6）加热物料需要的热量Q6：

Q6=m1c（t2-t1）

式中　m1——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。

最后，根据Q2来确定加热（或冷却）介质及其用量。

在进行用汽量计算时值得注意的几个问题：

（1）确定热量计算系统所涉及所有热量或可能转化成热量的其他能量，不要遗漏。但对计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。有相变时，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，宜将物料计算和热量计算联合进行，才能获得准确结果。

（三）用汽量计算实例

1.“单位产品耗汽量定额”估算实例

“单位产品耗汽量”估算实例见表3-36、表3-37和表3-38。

表3-36　部分乳制品平均每1t成品耗汽量表

注：（1）以上指生产用汽，不包括生活用汽。
（2）北方气候寒冷，应取最大值。

2.用汽量计算实例

以5000t/年啤酒厂糖化车间热量计算为例：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计算。工艺流程示意图如图3-13所示，其中的投料量为糖化一次的用料量。

以下对糖化过程各步骤的热量分别进行计算：

糖化工段耗汽量：

生产用最大蒸汽压力247kPa

自来水平均温度18℃

糖化用水平均温度50℃

洗槽用水平均温度80℃

①糖化用水耗热量Q1：

Q1=m总水·c水（t2-t1）

式中　m总水=5685kg

c水=4.18kJ/（kg·K）

表3-37　部分罐头和乳品用汽设备的用汽量表

表3-38　部分乳制品按生产规模

注：（1）指生产用汽，不包括采暖和生活用汽。
（2）北方寒冷，宜选用较大值。

图3-13　啤酒厂糖化工艺流程示意图

t1=18℃t2=50℃

Q1=5685×4.18（50-18）=760425.6（kJ）

②第一次蒸煮耗热量Q2：

大米用量为355.5kg，糖化时为了防止大米醪结块及促进液化，在糊化时加入约占大米量20%的麦芽粉，则：

麦芽粉用量=355.5×20%=71.1（kg）

第一次蒸煮物料量=355.5+71.1=426.6（kg）

以100kg混合原料用水量450kg算：

用水量m水=426.6×450/100=1919.7（kg）

式中　c大米或麦芽=c0×0.01（100-w）+4.18w

c0——谷物（绝十）的比热容 1.55kJ/（kg·K）；

w——含水百分率。

c麦芽=0.01［1.55×（100-6）+4.18×6］

=1.71［kJ/（kg·K）］

c大米=0.01［1.55×（100-13）+4.18×13］

=1.89［kJ/（kg·K）］

设原料的初温为18℃，而热水的温度为50℃，则t0为：

设煮沸时间为40min，蒸发量为每小时5%，则水分蒸发量：

m水分=2346.3×5%×40/60=78.21（kg）

结合以上三项计算结果得：

③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t0，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：

根据热量衡算，且忽略热损失，米醪与麦醪并和前后的焓不变，则米醪的中间温度为：

因此温度比煮沸温度只低接近4℃考虑到米醪由糊化锅到糖化锅输送过程的热损失，可不必加中间冷却器。

Q3=m混合c混合（70-63）=181518.78（kJ）

④第二次煮沸混合醪的耗热量Q4：

由糖化工艺流程可知：

经第一次煮沸后米醪量为：

m′米醪=m米醪-m水分=2346.3-78.21=2268.09

糖化锅的麦芽醪量为：

m麦醪=m麦+m水

式中　m麦=1065.75-71.7=994.05（kg）

m水=5635-1919.7=3765.3（kg）

m麦醪=994.05+3765.3=4759.35（kg）

经第一次煮沸的米醪与糖化醪混合后混合醪量为：

m混合醪=2268.09+4759.35=7027.44（kg）

根据糖化工艺，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：

麦醪的比热容：

混合醪的比热容：

=207709.34（kJ）

煮沸时间为10min，蒸发强度为5%，则蒸发水分量为：

m′水分=26.7%G×5%×10÷60

=15.64（kg）

结合以上三项结果得；

=279453.5（kJ）

⑤洗槽水耗热量Q5：

设洗槽水平均温度为80℃，每100kg原料用水450kg，则用水量为：

m洗槽=14.21×450=6394.5（kJ）

故Q5=m洗槽c水（80-18）=1657198.6（kJ）

⑥麦汁煮沸过程耗热量Q6：

由啤酒糖化物料衡算表可知，100kg混合原料可得到598.3kg的热麦汁，并经过滤完毕麦汁温度为70℃。则进入煮沸锅的麦汁量为：

G麦汁=1421×598.3÷100=8501.8（kg）

煮沸强度10%，时间1.5h，则蒸发水分为：

热损失为：

结合以上三项结果得：

⑦糖化一次总耗热量Q总：

⑧糖化一次耗用蒸汽量D：

使用表压为0.3MPa的饱和蒸汽，I=2725.3kJ/kg，则：

式中　I——相应冷凝水的焓（561.47kJ/kg）；

η——蒸汽的热效率，取η=95%。

⑨糖化过程中每小时最大蒸汽耗量Qmax：

糖化过程各步骤中，麦汁煮沸耗热量Q6为最大，且知煮沸时间为90min，热效率95%，故：

相应的最大蒸汽耗量为：

⑩蒸汽单耗：

根据设计，每年糖化次数为700次，共生产啤酒5034t。年耗蒸汽总量=3918.46×700=2742922（kg）

每吨啤酒成品耗蒸汽（对糖化）：

2742922÷5034=545kg/t啤酒

每昼夜耗蒸汽量（生产旺季算）为：

3918.46×6=23510.76（kg/d）

至于糖化过程的冷却，如热麦汁被冷却成冷麦汁后才送发酵车间，必须尽量回收其中的热量，这里不再叙述。