Pivovarennaya_inzheneria_ / Глава 6b

выгодно не только с теплоэнергетической точки зрения, но и по некоторым технологи ческим соображениям, поскольку сокращается продолжительность варки; быстрее и полнее осуществляется экстрагирование горьких веществ хмеля и коагуляция бел ков; улучшается осветление пива и ускоряется его фильтрование благодаря более пол ной коагуляции белков.

На рис. 6.62 показана конструкция сусловарочного аппарата первой половины XX в. с вогнутым внутрь днищем для кипячения сусла под давлением. Такая форма днища позволила увеличить поверхность теплообмена и интенсифицировать циркуляцию кипящего сусла, которое поднимается вверх в центре аппарата и опускается вниз в пристеночной области.

5

4

Рис. 6.62. Сусловарочный аппарат первой половины XX в.:

1 — люк с герметичной крышкой; 2 — устройство для перекрывания вытяжной трубы; 3 — перепускная труба для вторичного пара; 4 — перепускной вентиль и предохранительный

клапан; 5 — клапан для впуска воздуха (вакуум#прерыватель); 6 — вентиль для сброса давления; 7 — термометр; 8 — манометр; 9 — смотровое стекло; 10 — указатель уровня сусла; 11 — мешалка с приводом; 12 — вентиль для спуска сусла; 13 — паровой вентиль;

14 — манометр; 15 — редуцирующий клапан; 16 — паровая рубашка повышенного давления; 17 — паровая рубашка низкого давления; 18 — газоотводные трубки; 19 — стальные полотенца, на которых подвешен аппарат

Энергетические кризисы в Европе 70 х гг. ХХ в. способствовали разработке и раз витию новых энергоэкономных сусловарочных систем. Для экономии тепловой энер гии начали активнее внедрять системы утилизации тепла вторичного пара, хотя кон денсаторы вторичного пара при кипячении сусла впервые применили еще во второй половине XIX в. С начала 80 х гг. ХХ в. в сочетании с конденсаторами вторичного пара начали применять энергоаккумуляторы (энергонакопители), что способствовало еще большей экономии тепловой энергии.

В70 х гг. ХХ в. появились сусловарочные системы для кипячения сусла при повы шенном давлении с наружными или внутренними нагревателями, позволяющими сни зить общую степень испарения до 7%.

При высокотемпературной варке при температуре 130 °C степень испарения уда лось снизить до 6%. Но уже тогда стало понятно, что повышенное давление пара приво дит к перегреву сусла на нагревательных поверхностях и тем самым к более высоким

инежелательным термическим нагрузкам, что приводит к снижению качества сусла из за низкой стабильности вкуса и пены.

За этим последовала разработка сусловарочных систем с механической, а затем

итермической компрессией вторичного пара. Давление греющего пара при этом уда лось снизить до 0,135–0,140 МПа, а его температуру — до 108–112 °С, что положитель но сказалось на качестве сусла и пива. В настоящее время кипячение сусла осуществ ляют при давлении греющего пара не более 0,3 МПа.

При стремлении сократить продолжительность кипячения столкнулись с пробле мой недостаточного удаления ароматических веществ. В связи с этим для лучшего удаления летучих фракций стали оснащать внутренние теплообменники нагреватели различными приспособлениями, увеличивающими площадь поверхности испарения, например двойными отбойными колпаками.

При кипячении сусла в традиционном аппарате с внутренним теплообменником имеют место проблемы с нагреванием сусла: температурное расслоение в объеме сусла

ипульсация сусла в трубках теплообменника, которые негативно влияют на процесс (см. раздел 6.7.3.2.3.1). В результате работы по устранению этих недостатков появи лась новая сусловарочная система Есоterm, в которой при максимальной степени испа рения в 6% обеспечивается 20% ная экономия энергии. В 2003 г. появилась еще более совершенная сусловарочная система Stromboli, которая по своей технической сути яв ляется эффективным развитием системы Есоterm.

К концу XX в. конструкторы сусловарочных систем стремились сократить продол жительность варки до ~1 ч при обеспечении степени испарения не более 7%. В связи с этим в пивоварении появилась принципиально новая сусловарочная система Merlin, обеспечивающая получение пива высокого качества при снижении общего выпарива ния и значительной экономии энергии.

6.4.4.2.2.Организация процесса кипячения сусла

Всовременном пивоварении используют системы для кипячения сусла с хмелем с различной организацией процесса, при этом различают сусловарочные системы по организации:

•подвода тепловой энергии;

•барометрического режима кипячения;

•подогрева сусла до температуры кипения;

•теплоотдачи от нагревательной поверхности к суслу;

•внесения хмелепродуктов.

По организации подвода тепловой энергии различают сусловарочные системы:

•с нагревательными рубашками;

•с внутренними теплообменниками (перколяторами);

•с выносными (внешними) теплообменниками;

•с комбинированным нагревом при сочетании различных типов теплообменных устройств.

В настоящее время при конструировании новых сусловарочных аппаратов нагрева тельные рубашки практически не применяют (за исключением сусловарочных систем тон копленочного типа). Среди современного сусловарочного оборудования доминируют ап параты с внутренним или выносным теплообменником нагревателем. Анализ техничес ких особенностей и функциональных возможностей традиционных сусловарочных аппа ратов с внутренним и выносным теплообменником нагревателем приведен далее.

По организации барометрического режима при кипячении сусла различают систе мы кипячения сусла:

•при атмосферном давлении;

•при повышенном давлении;

•с применением динамического режима.

Изменение температуры кипения сусла осуществляют за счет регулирования дав ления в герметичном сусловарочном аппарате. Известно, что при нормальном атмос ферном давлении вода вскипает при температуре 100 °С, при этом образующийся на сыщенный водяной пар имеет ту же температуру. Однако при изменении давления в аппарате температура кипения также пропорционально изменяется — возрастает с по вышением давления и убывает с его понижением (табл. 6.22).

Таблица 6.22

Зависимость температуры от давления насыщенного водяного пара

Кипячение сусла при повышенном давлении осуществляют в герметичных суслова рочных аппаратах с внутренним или выносным нагревателем для интенсификации про цесса, поскольку в этом случае возникает эффект скороварки. С повышением давле ния возрастает температура, что способствует ускорению и полноте экстрагирования горьких веществ хмеля и коагуляции белка. Продолжительность цикла варки сусла под давлением сокращается до 60–70 мин (при 103–106 °С). Сусловарочные аппараты для этого способа кипячения должны быть рассчитаны на максимальное избыточное давление 0,05 МПа, герметизированы и оснащены предохранительной арматурой от превышения давления и образования вакуума.

Способ динамического кипячения сусла с хмелем разработан германской фирмой

Huppmann (г. Китцинген). Сущность этого технологического приема заключается в том, что непосредственно в процессе кипячения сусла в аппарате с внутренним нагре вателем многократно чередуют подъем и сброс давления в аппарате (рис. 6.63).

Рис. 6.63. Характер изменения температур при динамическом кипячении сусла

всусловарочном аппарате с внутренним нагревателем:

а— нагревание; б — предварительное кипячение; в — повышение давления; г — понижение давления; д — дополнительное кипячение; е — перекачивание охмеленного сусла

По окончании нагрева осуществляют кратковременное предварительное кипяче ние сусла при атмосферном давлении, в течение которого происходит вытеснение воз духа из аппарата. На этой стадии теплообменник конденсатор вторичного пара систе мы энергосбережения работает на малой мощности или вообще отключен.

После удаления воздуха из аппарата, которое продолжается не более 5 мин, пере крывают заслонку на вытяжной трубе и, как только избыточное давление в аппарате достигает 200–250 мбар (обычно для этого требуется около 3–4 мин), подачу греюще го пара в теплообменник нагреватель прекращают, а подачу холодной воды в теплооб менник конденсатор включают на полную мощность, чтобы обеспечить быстрый сброс давления в аппарате за счет конденсации вторичного пара. После снижения давления до 50–100 мбар, которое обычно происходит за 3–5 мин, опять открывают подачу пара в теплообменник нагреватель, а теплообменник конденсатор вторичного пара систе мы энергосбережения опять выводят на малую мощность или вообще отключают. Пос ле этого снова повышают давление в аппарате и повторяют вышеописанный цикл не сколько раз в течение ~50 мин. При последнем сбросе давления в течение 5–6 мин его понижают до атмосферного и около 5 мин осуществляют кипячение сусла.

В результате многократных понижений давления в процессе кипячения сусла обеспе чивается хорошее удаление из него нежелательных летучих соединений. Это объясняется

тем, что при уменьшении давления температура кипения в аппарате также снижается и происходит быстрое образование пузырей пара во всем объеме сусла. При этом обра зуется большая площадь поверхности контакта газовой и жидкой фаз, в результате чего происходит хорошее испарение летучих ароматических веществ. Испарение сус ла в одном цикле варки составляет 4,5–6,0%.

Способ динамического кипячения сусла с использованием внутреннего нагревате ля Джетстар является развитием вышеописанного способа.

Однако в этом способе кипячения невозможно активно воздействовать на содер жание в сусле свободного ДМС, образующегося на последующем этапе в гидроцик лонном аппарате [22].

К тому же сусловарочные аппараты, работающие при повышенном стабильном или динамическом давлении, имеют б\льшую толщину стенки и оснащены предохрани тельной арматурой от превышения давления и образования вакуума, что влечет повы шение капитальных затрат.

По организации подогрева сусла до температуры кипения различают сусловарочные системы, в которых сусло перед кипячением подогревают:

•непосредственно в сусловарочном аппарате;

•предварительно в специальном теплообменнике нагревателе при перекачке сус ла в сусловарочный аппарат; при такой организации процесса сокращается общая

продолжительность цикла тепловой обработки сусла.

По организации теплоотдачи от нагревательной поверхности к суслу различают системы:

•традиционного объемного кипячения;

•тонкопленочного кипячения (см. раздел 6.4.4.3.3.1).

По организации внесения хмелепродуктов различают сусловарочные системы:

•с ручным внесением хмелепродуктов;

•с частично механизированным и автоматизированным внесением хмелепродуктов;

•с полностью механизированным и автоматизированным внесением хмелепро дуктов.

Ручное внесение хмелепродуктов осуществляют через открытый люк порционно — обычно за 2 3 приема в течение цикла варки. Такой способ сохранился на пивоварен ных предприятиях, оснащенных устаревшим не механизированным и не автоматизи рованным варочным оборудованием. Поскольку такое оборудование изначально пред назначено для внесения натурального хмеля в виде шишек, то его оснащают хмелеотде лителем, через который по окончании варки прокачивают горячее охмеленное сусло для отделения из него частиц хмеля, так называемой хмелевой дробины.

Устройства для механизированного и автоматизированного внесения хмелепро дуктов в сусловарочный аппарат рассмотрены в разделе 6.4.4.6.1.

6.4.4.2.3. Строение сусловарочных систем

Операторная модель системы кипячения сусла с хмелем приведена на рис. 6.64. Примеры функциональных схем кипячения сусла с хмелем на основе сусловароч

ных аппаратов различных типов приведены ниже в соответствующих разделах насто ящей главы.

6.4.4.2.4. Инженерные задачи при кипячении сусла

При кипячении сусла необходимо обеспечить выполнение следующих основных инженерных задач:

•организовать заполнение аппарата суслом;

•организовать подвод тепловой энергии;

•организовать внесение дозированных порций хмелепродуктов;

•обеспечить эффективный тепло и массообмен;

•обеспечить меры по минимизации контакта сусла с кислородом воздуха, при котором горечь сусла возрастает, а пиво приобретает неприятный вкус;

•обеспечить отвод и утилизацию теплоты образующегося вторичного пара;

•организовать опорожнение аппарата;

•организовать эффективную безразборную мойку аппарата и его теплообменных систем.

6.4.4.3.Оборудование сусловарочных систем

6.4.4.3.1.Классификация сусловарочного оборудования

Применяемые в настоящее время сусловарочные аппараты можно классифициро вать по следующим морфологическим признакам:

•по функциональному назначению;

•по геометрической форме основных конструкционных элементов (корпуса, крыш ки и днища);

•по способу кипячения;

•по способу нагрева и виду теплового агента;

•по типу нагревательного устройства;

•по виду конструкционного материала;

•по степени герметизации;

•по организации подачи в аппарат сусла;

•по организации подачи в аппарат хмелепродуктов;

•по способу установки;

•по способу мойки и дезинфекции;

•по организации управления и др.

Варианты основных морфологических признаков сусловарочных аппаратов при ведены в табл. 6.23.

Таблица 6.23

Классификация сусловарочных аппаратов

По функциональному назначению сусловарочные аппараты различают на собствен но сусловарочные, заторно сусловарочные и сусловарочно гидроциклонные. Заторно сусловарочные аппараты предназначены исключительно для двухаппаратных варочных

установок, применяемых на мини пивзаводах. Сусловарочно гидроциклонные аппа раты представляют собой комбинированный тип оборудования, в котором осуществ ляют не только кипячение, но и осветление сусла.

Корпус суловарочных аппаратов чаще всего имеет цилиндрическую форму. Сусло варочные аппараты с призматическим корпусом (как и аналогичные заторные) сегод ня практически не производят из за образования в углах плохо перемешиваемых («мертвых») зон. У традиционных сусловарочных аппаратов крышки обычно эллип тические, в то время как в современных конструкциях предпочтение повсеместно от дают коническим крышкам с углом наклона поверхности конуса 25°.

Гораздо разнообразнее формы днищ сусловарочных аппаратов (рис. 6.65), которые могут быть сферическими, эллиптическими, коническими, призматическими, вогну тыми внутрь и др.

а) б) в)

Рис. 6.65. Типичные формы днищ сусловарочных аппаратов:

а — сферические; б — эллиптические; в — вогнутое внутрь; г — коническое; д — призматическое

При использовании нагревательных рубашек форма днища может способствовать циркуляции жидкости, улучшая теплопередачу. Например, у днища с большой кри визной нагрев осуществляется неравномерно в различных частях аппарата. Столб жид кости у стенки аппарата имеет меньшую высоту (h1 < h2), но при этом б\льшую пло щадь поверхности нагрева (f1 > f2) (рис. 6.66) по сравнению со столбом жидкости того же диаметра в центральной части аппарата. Вследствие этого парообразование у стен ки аппарата будет протекать более интенсивно, чем в центре аппарата. Жидкость у пе риферии будет содержать больше пузырьков пара и, следовательно, иметь меньшую плотность. Она будет вытесняться вверх более тяжелой жидкостью, находящейся

вцентральной части аппарата. Над поверхностью сусла пар переходит в паровоздуш ное пространство, плотность жидкости увеличивается, и она начинает перемещаться вниз в центральной части аппарата. Таким образом, происходит циркуляция сусла

ваппарате с нагревательной рубашкой.

Традиционно в сусловарочных аппаратах осуществляют преимущественно объем ный способ кипячения. В настоящее время наряду с ним применяют прогрессивное кипячение сусла в тонкой пленке.

Рис. 6.66. Схема образования циркуляционных токов сусла в сусловарочном аппарате с нагревательной рубашкой

В сусловарочных аппаратах нагрев и кипячение сусла осуществляют с помощью рубашки, внутреннего или наружного теплообменников, а также с применением тон копленочного испарителя.

Принципиальное устройство основных типов сусловарочных аппаратов для кипя чения сусла с хмелем приведены на рис. 6.67.

Рис. 6.67. Принципиальное устройство основных типов сусловарочных аппаратов:

а— с нагревательной рубашкой; б — с внутренним теплообменником;

в— с выносным теплообменником

Помимо них ранее применяли сусловарочные аппараты с комбинированной систе мой теплообмена — с рубашкой и внутренним теплообменником, а иногда и с механи ческим перемешивающим устройством (рис. 6.68). В настоящее время такие аппараты на вновь построенных или реконструированных предприятиях не применяют.

В последние годы появились принципиально новые сусловарочные аппараты с бо лее эффективным и экономичным внутренним нагревом сусла, а также сусловарочные установки с испарителем тонкопленочного типа, организация, строение и функциони рование которых будут рассмотрены подробно в следующих разделах.

Первые поколения сусловарочных аппаратов характеризовались прямым нагревом — под их днищем размещали топку и сжигали топливо (дрова, уголь, газ или мазут).

Принципиально возможно обогревать сусловарочный аппарат перегретой водой, которая, будучи под давлением, может иметь достаточно высокую температуру, на пример 160–170 °С.

В современных сусловарочных системах в качестве греющего агента применяют преимущественно водяной пар, который обладает большей подвижностью и лучшей теплоотдачей от пара к стенке по сравнению с перегретой водой, вследствие чего тре буются меньшие затраты энергии и меньшие диаметры трубопроводов. Однако паро вой способ нагрева требует применения системы сбора и возврата конденсата.

Внесение хмелепродуктов в сусловарочные аппараты предыдущих поколений осу ществляли вручную через люк. В современные сусловарочные аппараты хмелепродук ты вносят автоматически через сборники дозаторы.

6.4.4.3.2. Сусловарочные аппараты

Сусловарочные аппараты предназначены для тепловой обработки и охмеления сус ла в целях обеспечения его химической и микробиологической стабилизации и при дания ему специфических органолептических свойств.

6.4.4.3.2.1.Основные характеристики сусловарочных аппаратов и требования, предъявляемые к ним

Ниже приведены основные характеристики сусловарочных аппаратов, которыми обычно руководствуются при их проектировании:

Удельная вместимость*, гл/100 кг засыпи и т. д. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

При конструировании современных сусловарочных аппаратов необходимо предус мотреть обеспечение технических и организационных мер по инженерному совершен ствованию процесса. К таким мерам, в частности, относят:

•сокращение до минимально возможного значения продолжительности кипяче ния сусла при условии обеспечения его качественных показателей;

•снижение термической нагрузки на сусло благодаря минимизации градиента тем ператур в сусловарочном аппарате;

•предотвращение образования накипи на греющих поверхностях сусловарочного аппарата;

•исключение возврата в сусло образующегося конденсата вторичного пара;