Особенности охлаждения в емкостях ЦКТ

Необходимость охлаждения

Тепло – естественный результат процесса брожения. Лагерное пиво надо охлаждать, этого требует технология. Кроме того, температуру сырья на этапе холодной выдержки следует довести до – 1 ... – 2 град С. При изготовлении пива в ЦКТ (цилиндро-конических танках, рис. 1 и 2) могут применяться разные способы удаления калорий.

Охлаждение

Суммарное количество «лишнего» тепла состоит из нескольких слагаемых. В него входят:

• Энтальпия. Это энергия процесса, доступная для превращения в тепло. В данном случае – калории, получаемые во время брожения.

• Теплота жидкости. Температуру содержимого ЦКТ, то есть, еще не совсем готового пива, надо просто понизить до определенного значения.

• Потоки тепловой энергии из окружающей среды.

Если выразить перечисленные выше элементы в килоджоулях, то получится следующая картина.

Энтальпия

В процессе сбраживания, на каждый килограмм экстракта образуется тепло, количественно равное 587 кДж. Это равняется 140 ккал, что соответствует 0,16 кВт * час. Если в начале процесса экстрактивность сусла составляет 11,5-12%, а КСС (конечная степень сбраживания) принимается в пределах 75-85%, то удельный вес экстракта, вступившего в реакцию, будет от 7,0 до 8,3 кг/гл. При средних значениях первичной экстрактивности, можно принять, что на каждый гектолитр сырья образуется от 4300 до 4600 кДж тепла.

Охлаждение жидкости

Если перед стадией холодной выдержки пиво находится при температуре 9 град С, то его температуру надо понизить на 10 градусов, т.е., довести до – 1 град С. Для этого с каждого гектолитра придется отвести 4200 кДж. Легко заметить, что в данном случае потребуется количество холода, сравнимое с предыдущим пунктом.

Теплообмен с атмосферой

Потери холода в атмосферу происходят из-за конвекции либо излучения. Их сводят к минимуму – ставят емкость в здании и изолируют ее. Лучшим материалом считается десяти- или пятнадцатисантиметровый слой вспененного полиуретана. Но, чтобы полностью устранить этот компонент, на 1 гл сусла надо подать от 8600 до 9000 кДж холода.

Сложность заключается в неравномерном возникновении теплоты, из-за чего отводить калории приходится таким же комбинированным образом. Количество «лишнего» тепла и время его удаления зависит от принятой технологии брожения сырья и созревания продукта. А также от того, на какой стадии находится процесс охлаждения и с какой скоростью он проводится. Больше всего холода надо подать в течение первых суток - двух после этапа основного брожения.

Виды охлаждения пива в ЦКТ

На предприятиях по пивоварению, для производства холода, почти во всех случаях используются компрессорные установки. Абсорбционные применяются намного реже.

При изготовлении напитка в цилиндроконических емкостях, выделяют две принципиально разные охлаждающие технологии. Хладагент - обычно NH3 (аммиак, рис. 3), потому что использование фреонов ограничено законодательством. NH3 очень эффективен, поскольку испаряется при – 70 град С. Хладоноситель – чаще всего гликоль. Способы, в которых предусматривается наличие ледяной воды, не подходят в принципе, так как ее температура не может опуститься ниже 0 град С, а для пива, как было сказано ранее, требуется -1 или -2 град С, плюс, учитывая потери, необходимо 2 – 3 градуса превышения.

Прямое

В случае прямого понижения температуры пива, аммиак подается в испаритель (полую пластину или трубки), где он переходит в газообразное состояние, с поглощением тепла. То есть, испарение хладагента является непосредственной причиной охлаждения пива.

Преимущества (по сравнению с косвенным):

• Этот способ более выгодный. Для производства того же количества холода, расходуется на 15 – 30% меньше электроэнергии. Компрессор можно ставить менее мощный, что положительно сказывается на его эффективности и надежности. Температуру испарения - задать более высокую, -5 или -6 град С, вместо – 10 град С, что тоже благоприятно сказывается на безаварийной работе агрегата.

• Не требуется промежуточное оборудование. Трубы для хладагента нужны более тонкие, длина их - меньше. Как следствие – проще монтаж, ниже затраты на теплоизоляцию.

• Диапазон температур испарения хладагента шире – управление процессом более гибкое, контроль температуры точнее. Дрожжи не получают термошок, что очень важно с точки зрения технологии.

Недостатки:

• Аммиак – это сильный яд. А в любой компрессорно-конденсаторной системе всегда присутствует опасность утечки хладагента. Соединяясь с СО2 (углекислотой), NH3 взрывается, с образованием большого количества тепла. На производствах надо принимать усиленные меры безопасности.

• В холодильных рубашках держится повышенное рабочее давление (основная причина возможной утечки NH3).

• Не постоянная температура испарения.

• Накопить холод, для его использования в часы пик, невозможно.

• В промышленных условиях, требуется большое количество хладагента. Аммиак должен присутствовать во всей системе, что также является фактором повышенной опасности.

Косвенное

Система охлаждения пива с промежуточным этапом заключается в том, что, в результате испарения хладагента (аммиака), сначала понижается температура хладоносителя. В качестве последнего используют обычно этилен – или пропиленгликоль, иногда – спирт либо этанол. Затем хладоноситель перекачивается в пластины или трубки, через которые он уже непосредственно воздействует на сырье. С учетом того, что пиво не может иметь температуру ниже – 2 град С (при меньшей оно начинает замерзать), хладоноситель следует остудить до минус 5 – 6 град С, так как, в процессе сбора в накопителе и по пути к бродильному чану, эта разница исчезает.

Достоинства

• Гликоль в пластинах / трубках не испаряется. По этой причине, давление в системе будет намного меньше, чем в установках прямого охлаждения. А значит, сводится к минимуму вероятность утечки. Процесс получается более безопасным.

• Конструкция требует намного меньше хладагента NH3.

• Нагрузка на компрессор равномерная, температурный диапазон небольшой. Это увеличивает продолжительность работы оборудования.

• Благодаря тому, что в системе есть накопитель, установку можно на время отключать, что полезно в часы пиковых нагрузок, т.к. она весьма энергоемкая.

Недостатки

• Значительное потребление энергии.

• Надо ставить компрессор для аммиака большей мощности, чем при прямом охлаждении.

• Нужны трубы более крупного диаметра и больше арматуры.

Типы конструкционных решений

Орошение ЦКТ

В пивоварении практически не используется.

Охлаждение во внешнем контуре

Это один их двух основных методов охлаждения пива в ЦКТ. Его применяют с начала 70-х годов. Суть заключается в том, что сусло берется из конуса, т.е. снизу, и отправляется на охлаждение в пластинчатый теплообменник, который расположен отдельно от танка. Обратно его подают в верхнюю часть, на метр - полтора ниже зеркала пивной жидкости.

Преимущества данного способа в том, что сусло интенсивно перемешивается. Поэтому клетки дрожжей постоянно в движении. Продолжительность брожения становится меньше, рабочий цикл – сокращается. В конце этапа сусло отбирают сверху, чтобы дрожжи опустились вниз. Пивное сырье характеризуется высокой степенью гомогенности (однородности).

Теплообменники

В качестве наружных теплообменников обычно применяются т.н. пластины Мюллера или термопластины (рис. 4). Второй вариант – стандартные трубчатые охладители (рис. 5 и 6).

Пластины Мюллера внешне похожи на стеганые матрацы. Изготавливаются они следующим образом. Два листа легированной стали (наружный – более тонкий) свариваются между собой по периметру, с оставлением отверстий для входа-выхода жидкости, а также точечно, во многих местах, обычно в шахматном порядке. Затем внутрь, под большим давлением, закачивается инертный газ, из-за чего наружный лист «раздувается», будучи и далее соединенным с внутренним в местах сварки, и приобретает изогнутую форму. Внутри образуется единое пространство, в котором хладагент или хладоноситель совершает турбулентное движение, что обеспечивает качественную теплопередачу.

Главным достоинством такой технологии являются относительно низкие затраты на приобретение оборудования. Важно и то, что размер поверхности охлаждения не зависит от наружного диаметра ЦКТ. Есть возможность максимально точного поддержания заданной температуры и, при необходимости, быстрой ее корректировки. ЦКТ в области конуса охлаждается изнутри, что повышает эффективность процесса. Пробы сусла берутся легко и просто.

Недостатки – на работу насоса, который обеспечивает циркуляцию сырья, уходит много электроэнергии. Также немало стоит СИП промывка.

Охлаждающие рубашки

Этот метод понижения температуры содержимого ЦКТ является наиболее старым и проверенным. На сегодняшний день он – самый распространенный. В системах данного типа применяются трубки сегментные или профильные (обычно прямоугольные). Если в качестве хладагента используется аммиак, то охладитель для ЦКТ тщательно проверяется, потому что его элементы должны выдерживать давление испарения NH3, равное 11,6 бар.

Сегментная рубашка делается из трубы, разрезанной вдоль. Полученная «полутруба» навивается плоской стороной, с приваркой, на обечайку ЦКТ снаружи. Прочность получается достаточная, так же, как и теплообмен. Сверху канал для хладагента закрывается теплоизоляцией. В настоящее время, вместо трубы, приваривают лазером рубашку из профилированного штампованного листа, с параллельно соединенными внутренними каналами, или из двух точечно сваренных листов. Это более экономичный вариант.

Конструкция рубашки должна обеспечивать максимальный обмен калориями на минимальной площади. Площадь поверхности охлаждения прямо пропорциональна диаметру ЦКТ. Чем больше последний параметр, тем дольше понижается температура содержимого танка. Оптимального соотношения диаметра к высоте сооружения пока не найдено. Оно принимается в диапазоне 1:2 ,,, 1:6, причем, каждый производитель делает по-своему и считает, что прав только он. Замечено, что чем меньше указанное соотношение, тем энергичнее двигаются потоки в сусле, тем эффективнее охлаждение всей массы. Чем оно больше, тем более увеличивается общая площадь обечайки, на которой можно разместить рубашки. Время цикла сокращается, уменьшается цена емкости и стоимость транспортировки.

Главный плюс ЦКТ с рубашкой охлаждения - реализация индивидуального температурного режима. Регулирование нагрева/охлаждения двухэтапное, т.е., более дешевое. Основные минусы: теплообменная поверхность ограничена, а стоимость рубашек довольно высокая. На них приходится до 30% цены полностью оборудованного танка.

На ЦКТ небольших объемов могут ставиться рубашки в виде кожуха из термопластины с точечной сваркой (рис. 7). На крупные – полосы такого же типа (рис. 8).

Схема применения рубашек с учетом температурного расслоения напитка

На обечайке ставится от 1 до 5 рубашек (обычно 2 или 3, рис 9 и 10). Еще одна располагается на конусе. Каждая из них подключена к системе отдельно. Подобная схема принята для того, чтобы можно было регулировать режим охлаждения молодого пива и обеспечивать динамичную циркуляцию жидкости. С физико-технологической точки зрения, процесс выглядит следующим образом.

На этапе интенсивного брожения, в основном, из-за подъема углекислого газа, пиво интенсивно перемешивается. При этом, более теплая часть сырья (+ 10 град С) поднимается вверх. А холодная (+ 4 град С) опускается в конус (рис. 11, а). На этой стадии процесса, используя три рубашки на обечайке, можно включить на полную охлаждающую мощность верхнюю, и на половинную – среднюю. Калории, таким образом, забираются у самых теплых слоев, которые, охладившись, устремляются вниз. А нижние поднимаются вверх, к включенным рубашкам. В итоге, переносящие тепло конвекционные потоки стабилизируются, эффективность охлаждения повышается.

На этапе холодной (лагерной) выдержки, общая температура напитка понижается. В зависимости от принятого стандарта, она достигает значения -1 град С либо – 2 град С. И здесь тоже виртуальный термометр, опущенный на разную глубину, показал бы различные цифры. Наверху, в самом деле, было бы минус один. А в конусе – плюс 2,5 град С (рис. 11, б). Причина в том, что пиво становится наиболее плотным (а значит, и самым тяжелым) именно при + 2,5 град С. Поэтому оно и опускается вниз. (Говоря точнее, температура максимальной плотности напитка зависит от экстрактивности пива. При среднем значении – это плюс 2,5 град С. Если содержание экстракта высокое, например, как для Bockbier, то будет плюс 1 град С. При небольшом – плюс 3 град С. Такая температура называется критической, потому что, при ее достижении, происходит инверсия (перераспределение) конвекционных потоков. Бывают случаи, когда движение слоев вообще останавливается, с образованием льда вверху (для устранения, снизу продувают углекислотой). Последнее недопустимо, т.к. лед значительно ухудшает вкусовые качества).

Еще один фактор, который надо учитывать на этапе холодной выдержки, заключается в работе дрожжей. Находясь в конусе при + 2,5 град С, они сохраняют активность. А питательных веществ уже нет. В итоге запускается процесс автолиза (саморазрушения). Дрожжи начинают переваривать резервные углеводы (маннан, гликоген) и прочие внутренние вещества. Нарушается метаболизм, клеточная стенка распадается. Ферменты, белки и прочее содержимое цитозоля неторопливо растворяются в пиве. В результате, снижается биологическая устойчивость напитка и повышается его рН. Серьезно ухудшается вкус, падает вкусовая стабильность.

На данной стадии целесообразно выключить все рубашки на обечайке и запустить на полную мощность охлаждающую трубу на конусе (для лагерных ЦКТ это обязательно). Это позволит избежать выхода на критические значения температуры жидкости, а дрожжи останутся в спящем состоянии. Они будут живыми, но с нулевой активностью.

Надо помнить об особенности понижения температуры на этапе лагерной выдержки. Брожение закончилось. Дрожжи «уснули» и осели на конусе. Если сейчас подать в нижнюю часть емкости хладоноситель минус 4 град С (что приемлемо для обечайки), то снизится ли температура пива на данном участке – еще неизвестно. А вот то, что дрожжи заморозятся, так это наверняка. Поэтому в рубашку заливают гликоль при 0 град С.

Неохлаждаемые ЦКТ

Иногда применяются схемы без индивидуального охлаждения. Для решения вопроса перегрева, просто понижается температура в том помещении, где они установлены. Не смотря на то, что в данном случае отвод тепла при брожении проблематичен, вариант имеет право на жизнь, за счет низкой себестоимости емкостей и небольших размеров оборудования. Кроме того, полностью исключается температурный шок.

Для разделения дрожжей и пива подходит обычный сепаратор. Если охлаждение получается недостаточным, дополнительно используют стандартный внешний теплообменник.

Заключение

Применение для варки пива танков с конусообразной нижней частью - это современно, технологично и очень удобно. ЦКТ с охлаждением (рис. 12) дает возможность управлять процессами и добиваться прекрасных результатов.