3.4.2.2.4. Кипячение с использованием горячей воды (гидрокипячение)

Существует возможность нагреть воду под давлением очень сильно, но не до испарения и использовать эту горячую воду при 160— 170 °С для обогрева сусловарочного котла. При этом экономят на потерях, возникающих в связи со сбором и обратной подачей конден­сата. С другой стороны, требуется значитель­но больший диаметр труб, а также больше энергии, чем при использовании пара, так как пар значительно подвижнее, чем жидкость. Теплоотдача от пара к стенке происходит луч­ше, чем от горячей воды. Поэтому сегодня ки­пячение с помощью горячей воды встречается реже, чем обычное кипячение с обогревом па­ром. Теплопередача от пара к суслу обеспечи­вается наваренными полутрубами — так же, как у заторного котла.

3.4.2.3. Сусловарочные котлы

с кипячением при низком избыточном давлении

Основная идея кипячения при низком избы­точном давлении состоит в том, что ряд био­химических процессов превращения веществ протекает быстрее, если давление, а с ним и температура кипячения выше 100 °С (см. об этом в разделе 3.4.2.2.1).

Сусловарочные котлы с кипячением при низком избыточном давлении изготавливают­ся как герметичные котлы, расчитанные на максимальное избыточное давление 0,5 бар, и оснащаются необходимой для этого предохра­нительной арматурой на случай превышения давления и образования вакуума. Обогрев сусла производят с помощью выносного или внутреннего кипятильника. Конденсатор вто­ричного пара рассчитывается соответственно на уровень давления в котле, так что может использоваться более высокая температура вторичного пара.

В качестве критерия оценки скорости про­текания реакций и поведения основных ком­понентов экстракта во время кипячения сусла сегодня служит характеристика времени по­лураспада для расщепления предшественни­ка ДМС [172] (см. об этом раздел 3.4.1.9). Для характеристики процесса кипячения сусла важным показателем является произведение температуры на время кипячения: чем дольше

кипятят и чем выше температура кипящего сусла, тем больше нежелательная термичес­кая нагрузка. С другой стороны, должны быть обеспечены следующие процессы:

• горькие вещества хмеля должны макси­ мально изомеризоваться и тем самым стать растворимыми;

• расщепление предшественника ДМС дол­ жно произойти по возможности полно­ стью.

В результате сусло кипятят 60-70 мин при 103-106 °С. Степень испарения при кипячении с использованием низкого из­быточного давления составляет около 6%.

Кипячение выполняют либо

• в расположенном вне предела котла вы­ носном кипятильнике, через который про­ качивают сусло, либо

• во внутреннем кипятильнике, при исполь­ зовании которого сусло нагревается в сус- ловарочном котле.

3.4.2.3.1. Кипячение при низком избыточном давлении с выносным кипятильником

У сусловарочных котлов с выносным ки­пячением сусло циркулирует через кипя­тильник, расположенный вне котла, обора­чиваясь при этом 7-8 раз в час. При этом сусло постоянно отбирается из нижней ча­сти сусловарочного котла и перекачивает­ся насосом через выносный кипятильник (рис. 3.70, 1).

В качестве выносного кипятильника при­меняется чаще всего кожухотрубный теплооб­менник, реже — пластинчатый теплообмен­ник. Через трубы пропускают сусло, с наруж­ной стороны труб противотоком движется пар. Когда сусло нагревается, то пар охлажда­ется и конденсируется. Выносной кипятиль­ник устанавливают вертикально или горизон­тально, в последнем случае его устанавлива­ют с легким наклоном для лучшего стекания конденсата. Оба варианта получили распрос­транение на практике.

Размеры наружного кипятильника опреде­лены требуемой поверхностью нагрева. Эта

297

Рис. 3.70. Сусловарочный котел с выносным наружным кипятильником:

1 — выносной кипятильник; 2 — сусловарочный котел; 3 — конденсатор вторичного пара; 4 — сборник сусла; 5 — теплообменник для нагрева сусла; 6 — вирпул; 7 — пар; 8 — конденсат; 9 — насос; Wort Density Measuring — измерение

плотности сусла

поверхность зависит от числа нагреватель­ных труб, их диаметра и длины.

Если скорость движения сусла в трубах слишком мала, появляется опасность приго-рания или как минимум карамелизации сус­ла, а значит сильного повышения его цветно­сти. Кроме того, следует опасаться, что из-за высокой температуры коагулируемый белок осядет в трубах. Чтобы этого избежать, в на­стоящее время считают, что скорость течения сусла в трубах кипятильника должна состав­лять как минимум 2,6-3,0 м/с. Чтобы достиг­нуть равномерности теплообменного процесса, предусматривается достаточная длина пути для прохождения каждой частицы объема сус­ла. Но так как длина кипятильника ограни­чена его габаритными размерами, то часто концы горизонтальных труб, выведенные на торцевую плиту, соединяют изогнутыми по­воротными трубами, так что каждая частица объема сусла проходит теплообменник мно­гократно (рис. 3.71). В любом случае места поворотов приводят к появлению касательных напряжений, воздействующих на сусло.

Для проведения процесса кипячения сус­ла имеются два варианта:

• весь котел находится под небольшим из­ быточным давлением, вторичный пар от­ водится через перепускной клапан; пре­ имуществом этого варианта является по­ вышенная температура вторичного пара;

• сусло в котле кипятится без давления, вторичный пар также отводится без избы­ точного давления, но внутри выносного кипятильника сусло кипит при повышен­ ном давлении, соответствующем темпера­ туре кипения 102-104 °С.

Требуемое для повышенной температуры кипения избыточное давление (80-200 мил­либар) достигается с помощью:

• баростатического клапана (клапана для сброса давления), устанавливаемого перед впуском сусла в котел;

• повышения числа оборотов насоса.

Разница между температурой пара и тем­пературой сусла не должна превышать при

298

Рис. 3.71. Выносной кипятильник:

1 — вход сусла; 2 — выход сусла; 3 — трубы для прохожде­ния сусла; 4 — торцевые плиты; 5 — вход пара; 6 — выход конденсата

этом 10 градусов. Требуемая площадь поверх­ности теплопередачи составляет 10-11 м² на 100 гл готового сусла.

При условии достаточной скорости про­текания и небольшой разнице температур между паром и суслом рабочий цикл теплооб­менника достигает 30-40 варок. После этого требуется мойка. Если параметры плохо со­гласованы, то может потребоваться мойка уже через 6-8 варок.

При обратном попадании сусла в котел давление в сусле падает. При этом происхо-

дит желательное интенсивное испарение. Для этого сусло возвращают через отражатель в форме конуса или через распределительное устройство, подводящее сусло на уровне по­верхности сусла в котле.

Циркуляционный насос подбирают так, чтобы все содержимое котла могло пройти че­рез кипятильник приблизительно 8 раз в час. Однако этим не гарантируется, что каждая частица объема сусла пройдет именно 8 раз через кипятильник — ведь содержимое котла перемешивается принудительно.

Выносное кипячение, предусматривавше­еся сначала лишь как вспомогательное меро­приятие для улучшения работы сусловароч-пого котла, у которого эффективность кипя­чения была недостаточной, в настоящее время является хорошо зарекомендовавшим себя способом кипячения сусла. Этот способ име­ет ряд преимуществ перед внутренним кипя­чением (которое в настоящее время также пре­терпело усовершенствования):

• циркулирующий объем сусла допускает точную регулировку и может быть легко приспособлен к объему сусловарочного котла;

• температура сусла на выходе из выносно­ го кипятильника может точно устанавли­ ваться;

• имеется возможность использования стро­ го контролируемого выдерживания сусла при повышенных температурах с помощью дополнительного буферного танка;

• возможно использование для обогрева пре­ дельно низкого избыточного давления на­ сыщенного пара (Р_изб. = 0,3 бар);

• можно устанавливать любую нужную ве­ личину поверхности теплообмена.

Однако нельзя упускать также недостат­ки выносного кипятильника, заключающие­ся в следующем:

• требуются более высокие инвестиционные затраты при приобретении оборудования (трубопроводы, теплообменник, циркуля­ ционный насос), а также следует произве­ сти изоляцию этого дополнительного обо­ рудования;

• принудительная циркуляция требует до­ полнительной электроэнергии для пере­ качки сусла;

• при высоких скоростях потока сусла воз­ никают касательные напряжения;

299

■ потребность в площадях для установки оборудования больше, соответственно вы­ ше и стоимость монтажа оборудования.

Несмотря на недостатки, выносное кипя­чение успешно применяется на многих пиво­варенных предприятиях.

3.4.2.3.2. Кипячение при низком избыточном давлении с использованием внутреннего кипятильника

Современные сусловарочные котлы теперь очень часто оснащаются внутренним кипя­тильником (перколятором) (рис. 3.72).

Внутренний кипятильник представляет собой кожухотрубный теплообменник, распо­ложенный в сусловарочном котле. Через вер­тикальные трубы (1) кипятильника поднима­ется сусло, нагреваемое паром, подводимым сверху в межтрубное пространство. При этом пар (6) охлаждается и конденсируется (7).

В сужающемся конусе (5) кипящее сусло ускоряется и, поднимаясь над уровнем повер­хности сусла в котле, распределяется по этой поверхности широким веером с помощью рас­пределительного экрана (4), что способствует хорошему испарению и в то же время обеспе­чивает постоянство уровня сусла в котле.

Так как температура сусла при кипении повышается до 103-106°С, то температура (а вместе с ней и давление) горячего пара должна быть существенно выше. Она состав­ляет:

• при нагреве — около 140-145 °С (= 3,8-4,3 бар, см. раздел 10.2.2.1) и

• при кипении — около 130 °С (= 2,8 бар).

В нагревательных трубах кипятильника сусло движется снизу с температурой ниже 100 °С и по мере подъема оно нагревается (рис. 3.72а).

При этом очень скоро [174] на внутренней стенке труб образуется:

• зона начала образования пузырьков пара (2), которая при дальнейшем подъеме пе­ реходит

• в зону неполного парообразования (3) и наконец в более широкой зоне

• происходит парообразование во всем объе­ ме сусла (4), тогда как снаружи пар отдает свою энергию парообразования (энталь­ пию) и конденсируется; слой конденсата,

Рис. 3.72. Устройство внутреннего кипятильника:

1 — пучок труб; 2 — впуск сусла; 3 — кожух; 4 — отражаю­щий экран для распределения сусла; 5 —сужающийся ко­нус; 6 — подача пара; 7 — отвод конденсата; 8 — моющая головка

стекающего вниз, становится все более толстым, все в большей степени препят­ствуя теплопередаче.

При парообразовании во всем объеме ки­пящего сусла большая часть воды переходит в пар, который занимает значительно боль­ший объем, чем вода, из которой он образовал­ся. Это сусло с увеличившимся объемом по­падает в сужающийся конус, расположенный

300

над нагревательными трубами, поднимается над уровнем сусла в котле и затем распреде­ляется по поверхности сусла с помощью рас­пределительного экрана. Этот экран, который может иметь различную конструкцию, уста­навливается так, чтобы обеспечить полную циркуляцию сусла в котле, без образования мертвых зон.

Очень высокая разность температур спо­собствует хорошему кипению, но создает и проблемы: в то время, как у выносного кипя­тильника гарантируется постоянная цирку­ляция всего содержимого котла, у внутреннего кипятильника возникают неравномерности в его работе, особенно заметно проявляющиеся на стадии нагрева.

■ При нагреве сусло втягивается в трубы кипятильника из самых нижних слоев котла и после нагрева в кипятильнике оно

распределяется на поверхности сусла. Из-за этого в котле возникает расслоение сус­ла с температурным перепадом до 20 гра­дусов, которое выравнивается лишь через 15-20 мин [190] (рис. 3.72б). Из-за этого имеет место неравномерная об­работка сусла, включая неравномерную изомеризацию горьких веществ и неравно­мерное испарение ДМС.

• При нагреве сусла до температуры кипе­ ния еще очень велика разность температур между паром и выходящим суслом. Из-за этого в данной области происходит снача­ ла карамелизация и затем пригорание.

• Более холодное сусло постоянно поступа­ ет в кипятильник снизу, и выходит вверху лишь тогда, когда оно начинает кипеть. Но при парообразовании объем жидкости су­ щественно увеличивается. Из-за этого объемный расход сусла временно тормо­ зится, и возникает сильная пульсация за­ кипающего сусла в ходе его нагрева до тем­ пературы кипения.

Из одного кг (= 1 л) воды получается при испарении около 1700 л водяного пара той же температуры. Это неизбежно вызывает в тру­бах кипятильника значительное гидродина­мическое сопротивление и пульсацию, так как кипящее сусло и образующийся пар не могут так быстро уходить вверх. Это гидроди­намическое сопротивление тем больше, чем уже условный проход труб кипятильника.

Рис. 3.72а. Образование пара в нагревательных трубах внутреннего кипятильника:

1 — горячее сусло; 2 — зона начала образования пузырь­ков пара; 3 — зона неполного парообразования; 4 — па­рообразование во всем объеме сусла

Рис. 3.72б. Неравномерность температур при нагреве:

Точки измерения: 1 — под поверхностью сусла; 2 — в вер­хней трети уровня сусла; 3 — в нижней трети уровня сус­ла; 4 — над дном котла

Чтобы иметь возможность бороться с эти­ми проблемами, были предложены, особенно в последнее время, некоторые мероприятия. К ним относятся:

• применение циркуляционного насоса, что­ бы путем принудительной циркуляции быстрее достигнуть равномерной темпера­ туры сусла во всем котле, для чего можно использовать насос для выгрузки горяче­ го охмеленного сусла, который должен иметь частотное регулирование и конст­ рукцию, обеспечивающую бережную пере­ качку сусла и

• исключать во время нагрева сусла возник­ новение температурного расслоения сус­ ла внутри котла, а также

• поддерживать во время кипения естествен­ ную циркуляцию.

К этому также относится:

• оптимизация стадий процесса кипячения («ароматическое кипячение») путем гиб­ кого управления объемным расходом цир­ кулирующего сусла, а также температурой и давлением пара;

• применение распределительного экрана для сусла с целью обеспечения максималь­ ного испарения.

При оптимизированном по стадиям про­цесса ароматическом кипячении (система кипячения «Экотерм» (Ecotherm) [173], фир­ма Steinecker, г. Фрайзинг) путем использо­вания системы управления добиваются того, чтобы для каждого момента нагрева и кипе­ния можно было предварительно выбрать свою температуру теплоносителя и объем­ный расход циркулирующего сусла и устано­вить желаемые величины для готового сусла в узких пределах. Тем самым возможно пу­тем быстрого или замедленного нагрева и диф­ференцирования стадий процесса кипячения менять характер отдельных типов пива, влияя на расщепление предшественника ДМС и об­разуя ароматические вещества при кипяче­нии за счет изменения температуры теплоно­сителя.

В соответствии с этим процесс кипячения продолжительностью 70 мин делится на 3 ста­дии [193]:

■ 20 мин, благодаря высокой интенсивности нагрева быстро переходит в нерастворимое состояние легко коагулируемый азот;

301

• 30 мин, при более низкой интенсивности нагрева продолжается расщепление пред­ шественника ДМС при постоянной тем­ пературе в котле (99 °С) и экономится теп­ ловая энергия;

• 20 мин, повышается интенсивность нагре­ ва с целью корректировки содержания азо­ тистых веществ путем форсирования про­ цесса выпадения белков.

Применение отражающего экрана для

распределения сусла служит в первую оче­редь удалению ароматических компонентов, улетучивающихся вместе с водяным паром, в особенности расщеплению предшественни­ка ДМС и удалению свободного ДМС. Кон­струкция распределительного экрана приоб­ретает здесь большое значение.

Двойной экран (тип Steinecker)

У нового двойного экрана (рис. 3.72в) при бо­лее низкой температуре теплоносителя (око­ло 130 °С) (а, правая сторона) сусло сжимает-

Рис. 3.72в. Двойной экран (тип Steinecker, г. Фрайзинг):

1 — сужающийся конус; 2 — наружная выпускная труба кипятильника; 3 — внутренняя выпускная труба кипятиль­ника; 4 — нижний экран; 5 — верхний экран; а — кипение при низкой температуре теплоносителя; b — макси­мальная интенсивность нагрева

302

ся прежде всего у нижнего экрана (4) и с помо­щью плавного поворота направляется во вне­шнюю треть котла, чем обеспечивается хоро­шее испарение, тогда как от верхнего экрана (5) истекает лишь небольшая часть сусла с мень­шей скоростью. Эта стадия процесса обеспе­чивает главным образом испарение нежела­тельных ароматических веществ.

При максимальной интенсивности нагре­ва (температура теплоносителя около 145 °С) (b, левая сторона) кипящее сусло сжимается и направляется через оба экрана, выходя как из внутренней (3), так и из наружной выпуск­ной трубы (2). При этом более плоский ниж­ний зонтик экрана мешает верхнему зонтику отбрасывать сусло к стенке котла, что приве­ло бы к нежелательному воздействию каса­тельных напряжений на сусло.

Двухфазный экран (тип Huppmann)

Двухфазный экран (рис. 3.72г) разделен на сегменты в двух плоскостях.

Благодаря плавному повороту в рассека­теле экрана поток кипящего сусла разделяет­ся на сегменты и разбрызгивается в двух плос­костях, расположенных друг над другом, вследствие чего достигается очень хороший эффект испарения. Одновременно сусло по­лучает небольшое закручивание благодаря со­ответствующей форме сегментов экрана. Ви­димая на рисунке вверху резьба показывает, что экран можно переставлять по высоте, что делается у всех экранов, так как необходимо устанавливать оптимальную высоту.

Длительность процесса и давление при кипячении

В настоящее время процесс кипячения сусла продолжается, как правило, 60-70 мин и при «классическом» кипячении с низким избы­точным давлением он протекает следующим образом (рис. 3.73):

• нагрев до 100 °С приблизительно за 15 мин;

• предварительное кипячение при 100 ° С около 10 мин;

• нагрев до 102—104 °С за 10—15 мин;

• кипячение под давлением при 102—104 °С около 15—30 мин;

• сброс давления и понижение температуры до 100 ° С приблизительно за 15 мин;

• последующее кипячение при 100 °С около 10 мин.

Динамическое кипячение

при низком избыточном давлении

(фирма Huppman, г. Китцинген)

При динамическом кипячении с низким из­быточным давлением нет длительной стадии выдерживания при избыточном давлении, а постоянно производится поочередное повы­шение и сброс давления (рис. 3.72д).

Обычно начинают с 10-15-минутной ста­дии предварительного кипячения, которая должна служить главным образом для коагу­ляции белка и изомеризации хмелевых смол. В конце этой стадии клапан вытяжной трубы для вторичного пара закрывается и давление в котле поднимается на 300-350 мбар. Темпе­ратура повышается до 104-105 ° С и поддер­живается в течение 3-5 мин.

Затем давление снижается до 100-150 мбар, а температура соответственно понижа­ется до 101-102 °С. Чтобы ускорить сниже-

Рис. 3.72г. Двухфазный экран (тип Huppmann, г. Китцинген, описание в тексте)

Рис. 3.72д. Динамическое кипячение при низком избыточном давлении (описание в тексте)

303

Рис. 3.73. Продолжительность процесса, температура и давле­ние при кипячении сусла

ние давлеaния, подвод свежего пара перекры­вается и водяной регулирующий контур нако­пителя тепловой энергии (см. гл. 3.4.2.5.3) включается на полную мощность. После ста­дии сброса давления продолжительностью 3-5 мин вновь открывают подачу пара и весь процесс повторяется. Можно производить последовательно друг за другом до 6 таких повышений и сбросов давления.

Частое повторение сбросов давления обес­печивает существенное повышение интенсив­ности и глубины испарения летучих веществ сусла [151]. Более интенсивное кипячение приводит к большей термической нагрузке на сусло, которое однако в этом случае не влияет на старение пива.

В качестве преимуществ внутреннего ки­пятильника можно назвать:

■ простую и надежную конструкцию в соче­ тании с большим сроком эксплуатации;

■ не требуется дополнительной электроэнер­гии, поскольку нет принудительной пере­качки;

• беспроблемное применение безразборной мойки (CIP);

• отсутствие необходимости в изоляции ки­ пятильника;

• отсутствие необходимости в дополнитель­ ных площадях.

В качестве недостатков следует отметить следующие:

• при нагреве до температуры кипения воз­ никает стадия нестабильной работы, ко­ торая воздействует неблагоприятно на со­ став сусла; этот существенный недоста­ ток можно устранить только используя перекачку насосом (см. выше);

• трубы внутреннего кипятильника быстрее загрязняются из-за высоких температур при нагреве сусла и из-за более низкой ско­ рости течения в данный момент времени;

• конструктивно возможная площадь выбо­ ра поверхности нагрева ограничена опреде­ ленными пространственными пределами.

Решение о выборе между внутренним и выносным кипятильниками является в ос­новном вопросом философии пивоваренной компании, так как существенной разницы между этими двумя системами нет.

Для устранения стадии нестабильности, кроме описанной выше системы принуди­тельной циркуляции с помощью насоса име­ется еще возможность обогревать сусло с по­мощью внутреннего трубного перколятора, работающего в комбинации с мешалкой (рис. 3.73).

Обогреватель такой конструкции иногда используется для заторных емкостей с целью

304

Рис. 3.73. Внутренний трубный перколятор с мешалкой (ВТЕ Brauerei-Technik, г. Эссен)

обеспечения щадящего перемешивания зато­ра при высокой интенсивности нагрева.

Комбинированные котлы-вирпулы

Если дно сусловарочного котла сделано плос­ким, то его можно использовать также в каче­стве вирпула (котел-вирпул). Для таких кот-

лов лучше подходят выносные кипятильни­ки, так как для работы вирпула нежелательно наличие встроенных деталей. При использо­вании таких котлов с внутренним кипятиль­ником следует учитывать, что от кипятиль­ника возникнут существенные помехи для кругового вращения сусла (см. раздел 3.8.3), что может привести к плохому отделению взвесей горячего сусла.