Сусловарочные аппараты в пивоваренном производстве

По окончании варки открывают воздушный вентиль с целью предохранения полости нагревательной рубашки от вакуумирования.

 

3. Современные сусловарочные аппараты с внешним нагревателем

При организации внешнего нагрева сусла корпус сусловарочного аппарата объединяют с циркуляционным насосом и кожухотрубчатым теплообменником в единый циркуляционный контур (рисунок 2, в). Благодаря насосу обеспечивают непрерывную

циркуляцию сусла через теплообменник, в котором сусло нагревается перед тем как

вернуться в сусловарочный аппарат.

К функциональным преимуществам сусловарочных аппаратов с внешним нагревателем относят:

• более эффективное использование внутреннего пространства сусловарочного аппарата, поскольку оно не загромождается внутренним теплообменником;
• большую технологическую гибкость сусловарочной системы при изменяющейся загрузке сусловарочного аппарата;
• возможность использования нагревателя с большей площадью поверхности теплообмена, поскольку она не ограничивается формой и объемом сусловарочного аппарата (в связи с этим их предпочтительно применять в сусловарочных системах с механической или термической компрессией, поскольку они требуют очень большой площади поверхности нагрева);
• более простую организацию мойки сусловарочного аппарата благодаря отсутствию в нем мертвых зон;
• возможность работы с более высоким давлением насыщенного пара (хотя с технологической точки зрения это нежелательно, поскольку приводит к более высоким термическим нагрузкам на сусло);
• лучшую устойчивость нагревателя к загрязнениям, вызванным пригоранием сусла, вследствие обеспечения в трубах нагревателя постоянного потока сусла;
• возможность использования циркуляционного насоса сусловарочной системы также для внесения в сусловарочный аппарат хмелепродуктов;
• возможность применения одного нагревателя для двух сусловарочных аппаратов (рисунок 4).

Рисунок 4. Функциональная схема сусловарочной системы с внешним нагревателем:

1 — сусловарочный аппарат; 2 — теплообменник; 3 — насос; 4 — сборник конденсата

 

К недостаткам сусловарочных аппаратов с внешним нагревателем относят:

• большую потребность в производственной площади (для размещения выносного нагревателя);
• более интенсивную принудительную механическую циркуляцию сусла через нагреватель, а следовательно, более высокую интенсивность гидродинамических воздействий на сусло в трубах нагревателя, что приводит к повышенным напряжениям сдвига при обработке сусла;
• менее эффективное использование поверхности нагревателя, поскольку его наружная поверхность не контактирует с суслом;
• наличие термического излучения поверхности выносного нагревателя;
• потребность в большей поверхности изоляции ввиду необходимости изолирования выносного нагревателя;
• более высокие инвестиционные затраты;
• повышенные эксплуатационные затраты (вследствие больших затрат энергии на более интенсивную циркуляцию сусла; на техническое обслуживание и профилактику выносного нагревателя).[3]

 

4. Современные сусловарочные аппараты с внутренним нагревателем

При организации внутреннего нагрева сусла внутри корпуса сусловарочного аппарата размещают перколятор — кожухотрубчатый теплообменник, трубы которого заполнены суслом, а в межтрубное пространство (кожух) подают греющий пар (рисунок 2, б). Циркуляция сусла в трубах теплообменника обеспечивается благодаря градиенту температур сусла в разных частях аппарата и, соответственно, разности его (сусла) плотностей.

К функциональным преимуществам сусловарочных аппаратов с внутренним нагревателем относят:

• меньшую потребность в занимаемой производственной площади, поскольку варочный цех не загромождается выносным нагревателем;
• менее интенсивную естественную термическую циркуляцию сусла через нагреватель;
• более мягкие, щадящие гидродинамические условия в трубах нагревателя, при которых напряжения сдвига относительно невелики;
• использование всей площади поверхности нагревателя, включая наружную стенку межтрубного пространства;
• отсутствие термического излучения;
• потребность в меньшей поверхности изоляции;
• возможность работы с более низким давлением насыщенного пара;
• меньшие инвестиционные затраты;
• меньшие эксплуатационные затраты (за счет меньших затрат энергии на циркуляцию сусла и отсутствия необходимости в техническом обслуживании и профилактики встроенного нагревателя);
• возможность (с ограничениями) применения в сусловарочных системах с механической или термической компрессией.

К недостаткам традиционных сусловарочных аппаратов с внутренним нагревателем относят:

• худшее использование внутреннего пространства сусловарочного аппарата, поскольку оно частично загромождено нагревателем;
• худшую устойчивость нагревателя к загрязнениям, вызванных пригоранием сусла;
• меньшую технологическую гибкость сусловарочной системы при изменяющейся загрузке сусловарочного аппарата;
• ограничение площади поверхности теплообмена формой и объемом сусловарочного аппарата при масштабировании, поскольку площадь увеличивается по квадратичной закономерности, а объем — по кубической;
• более сложную организацию мойки сусловарочного аппарата вследствие наличия в нем мертвых зон;
• неравномерность циркуляции сусла в трубах нагревателя на стадии нагрева сусла до температуры кипения; (в современных сусловарочных аппаратах этот недостаток эффективно устраняют благодаря новым конструктивным решениям).

 

1. Сусловарочный аппарат с внутренним нагревателем

Современный сусловарочный аппарат (рисунок 5) с внутренним нагревателем представляет собой емкость круглого сечения, установленную на опорах 15. К цилиндрическому корпусу 1 аппарата приварены крышка 8 и днище 14, в нижней части которого размещено углубление — сливная чаша 16. Все части аппарата, соприкасающиеся с затором, выполнены из нержавеющей стали.

Соотношение высоты и диаметра цилиндрической части корпуса составляет примерно 1 : (1,5–2,0). Коэффициент заполнения сусловарочного аппарата ~0,7.

Крышка аппарата имеет коническую форму с углом у основания 25°. К ней присоединяют вертикальную вытяжную трубу 6, диаметр которой составляет примерно 0,10–0,15 от диаметра аппарата. В месте примыкания вытяжной трубы к крышке расположен кольцеобразный желоб 5 для сбора конденсата вторичного пара, выводимого наружу по конденсатопроводу 4.

На крышке размещают люк 3 диаметром 600 мм, систему внутренней подсветки и

световую сигнализацию (на рисунке не показаны). Крышка люка оснащена системой

электроблокировки и встроенным смотровым окном.

В аппарате — под люком на внутренней стенке корпуса — размещена лестница 2 из нержавеющей стали для периодического обслуживания внутренних устройств аппарата.

Цилиндрическую часть корпуса и днище теплоизолируют. Поверх теплоизоляции 13 накладывают декоративную облицовку из тонколистовой нержавеющей стали, которую приваривают к верхней кромке конической крышки, выступающей на толщину изоляции. На уровне перекрытия к облицовке изоляции приваривают декоративное кольцо 11.

Наружную поверхность крышки и декоративной облицовки над площадкой обслуживания подвергают стеклобисерной струйной обработке или полированию.

Внутри аппарата и диффузора размещены шаровые моющие головки 9 системы безразборной автоматизированной мойки, через которые нагнетаются моющие растворы под давлением 0,25 МПа.

Внутри аппарата размещают нагреватель 12, который представляет собой кожухотрубчатый теплообменник. В межтрубное пространство теплообменника подают греющий пар при избыточном давлении до 0,3 МПа, а в открытых с обеих сторон трубах циркулирует сусло. Теплообменник зафиксирован в аппарате на трех трубчатых опорах, которые одновременно являются трубопроводами для подвода в межтрубное пространство греющего пара и отвода из него конденсата. Труба для подвода пара возвышается внутри трубного пространства над нижней трубной решеткой, а трубы для отвода конденсата выполнены с ней заподлицо.

Непосредственно к верхней трубной решетке теплообменника по ее периметру примыкает конический диффузор 10, сужающий поток сусла, выходящего из труб теплообменника. Благодаря сужению возрастает скорость потока и соответственно снижается давление струи, выходящей из диффузора.

Над коническим диффузором закреплен отражатель 7, препятствующий выбросу сусла в верхнюю часть аппарата и распределяющий в верхней его части поток сусла, выводимого из теплообменника в процессе его циркуляции, обусловленной разностью температур сусла в трубах.

Рисунок 5. Сусловарочный аппарат с внутренним нагревателем:

1 — корпус; 2 — лестница; 3 — люк; 4 — конденсатопровод; 5 — желоб кольцевой; 6 — вытяжная труба; 7 — колпак отбойный; 8 — крышка; 9 — моющая головка; 10-конический диффузор; 11 — кольцо декоративное; 12 — теплообменник (перколятор); 13 — теплоизоляция; 14 — днище; 15 — опора; 16 — чаша сливная

 

В некоторых современных сусловарочных аппаратах для увеличения площади поверхности испарения сусла отражатели изготавливают в виде двойного отбойного колпака (как в конструкции фирмы Steinecker — рисунок 6) или двухфазного экрана

(как в конструкции фирмы Huppmann, рисунок 7).

Рисунок 6. К объяснению принципа функционирования двойного отбойного колпака внутреннего теплообменника сусловарочного аппарата конструкции фирмы Steinecker

 

Благодаря выверенному конструктивному устройству выходного диффузора перколятора и точному согласованию углов обоих рассекателей двойного отбойного колпака обеспечивается пересечение обоих рассекаемых потоков сусла на внешней трети поперечного сечения аппарата, что дает большую площадь поверхности испарения сусла, вследствие чего происходит улучшение испарения свободного ДМС (рисунок 6).

При более низкой температуре греющего пара (около 130 °С) поток сусла рассекается прежде всего нижним колпаком, с помощью которого большая часть сусла меняет направление и отбрасывается к пристеночной зоне аппарата, обеспечивая при этом хорошее испарение (см. рисунок 6, а). Благодаря верхнему колпаку распределяется остальная (меньшая) часть потока сусла, причем с меньшей скоростью. На этой стадии

процесса кипячения осуществляется в основном испарение нежелательных ароматических соединений.

При использовании максимальной мощности нагрева (при температуре греющего

пара около 145 °С), как, например, во время первой фазы кипячения, (см. рисунок 6, б)

кипящее сусло рассекается обоими колпаками, при этом образующийся «зонтик» от

нижнего колпака с меньшим углом конической поверхности пересекается с «зонтиком» от верхнего колпака, препятствуя отбросу сусла к стенке аппарата, что могло бы привести к нежелательным воздействиям на сусло напряжений сдвига.

Таким образом, интенсификацию удаления нежелательных ароматических веществ

за счет увеличения площади поверхности испарения обеспечивают простым и изящным техническим решением — применением двойного отбойного колпака.

Конструктивной особенностью двухфазного экрана фирмы Huppmann (рисунок 7) является то, что он разделен на чередующиеся сегменты, отражающие сусло в двух

плоскостях, расположенных друг над другом. Благодаря соответствующей форме

сегментов сусло к тому же несколько закручивается. Таким образом обеспечивают

практически тот же эффект интенсификации испарения, как в вышеописанной конструкции Steinecker, но за счет применения более сложного и дорогого технического

решения.[3]

Рисунок 7. Внутренний теплообменник сусловарочного аппарата

с двухфазным экраном конструкции фирмы Huppmann:

1 — конический диффузор; 2 — двухфазный экран;

3 — разгрузочные отверстия; 4 — теплообменник кожухотрубчатый

 

2. Особенности и проблемы функционирования традиционных сусловарочных аппаратов с внутренним нагревателем

До недавнего времени полагали, что в сусловарочных аппаратах с традиционным

внутренним нагревателем (перколятором) в течение всего цикла обеспечивается естественная равномерная циркуляция сусла. Однако результаты последних экспериментальных исследований поколебали эту точку зрения и убедительно продемонстрировали, что в период нагревания циркуляция сусла в нагревателе осуществляется импульсивно, вследствие чего конвективный теплообмен в аппарате протекает недостаточно эффективно, неблагоприятно сказываясь в конечном итоге на качестве получаемого сусла.

Внутренний нагреватель сусловарочного аппарата, по сути, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, трубы которого заполнены суслом, а в межтрубное

пространство подают греющий пар.

Такой нагреватель работает по принципу вытеснения нагреваемой среды. При нагревании сусло под действием термической подъемной силы вытесняется из труб нагревателя и распределяется в поверхностном слое. В то же время придонный слой сусла поднимается к нагревателю и заполняет его трубы. Однако при нагревании сусла термической подъемной силы, возникающей в трубах нагревателя вследствие перепада температур и, соответственно, плотности сусла, не хватает для того, чтобы поддерживать в них на стабильном уровне скорость потока. В трубах нагревателя наблюдается пульсация — в течение кратковременной паузы (буквально 2–3 с) сусло задерживается в трубах и нагревается до ~96 °С, а затем высоконапорным импульсом резко выбрасывается из труб. Интенсивная пульсация прекращается лишь незадолго до начала кипячения, когда в аппарате завершается вытеснение более холодных слоев. В процессе кипячения пульсация сусла практически не заметна. Эта информация была получена в результате исследований, при которых в разных точках сусловарочного аппарата, а также на входе трубчатого нагревателя и выходе из него были установлены температурные датчики. Характер изменения температур сусла на входе в трубы нагревателя и