Погружной чиллер для сусла: змеевик, теплообменник и расчёт

Погружной чиллер — змеевик из меди или нержавеющей стали, который опускают в горячее сусло после варки, а через него пропускают холодную воду. Это простой способ для домашних варок на десятки литров. На мини-пивоварне сусло охлаждают на проток в пластинчатом теплообменнике, а холодный хладоноситель для него готовит чиллер. Ниже — сколько тепла нужно снять, сколько воды уходит на змеевик и когда без чиллера уже не обойтись.

Как работает погружной змеевик

Змеевик кладут в котёл за несколько минут до конца кипячения, чтобы он прогрелся и обеззаразился, затем пускают через него воду из водопровода. Сусло отдаёт тепло через стенку трубки; если его помешивать, охлаждение идёт заметно быстрее. Медный змеевик передаёт тепло лучше, змеевик из нержавеющей стали проще мыть и он не темнеет.

Пока сусло горячее, разница температур большая и оно остывает быстро. Чем ближе сусло к температуре воды, тем медленнее идёт охлаждение: последние градусы занимают больше всего времени. Холоднее воды в змеевике сусло не станет, поэтому летом, когда водопроводная вода тёплая, до температуры засева дрожжей его змеевиком часто не довести.

Сколько тепла нужно снять

Q = m × c × (t₁ − t₂)

N = Q / τ

Q — тепло, которое отдаёт сусло, кДж; m — масса сусла, кг; c — теплоёмкость сусла, ориентировочно 4,0 кДж/(кг·°C); t₁ и t₂ — температура сусла до и после охлаждения, °C; N — средняя мощность охлаждения, кВт; τ — время охлаждения, с.

Пример для домашней варки: 50 кг сусла охлаждают со 100 до 20 °C за 20 минут. Для других жидкостей и объёмов время считают в расчёте времени охлаждения.

1. Тепло: Q = 50 × 4,0 × (100 − 20) = 16 000 кДж.
2. Средняя мощность: N = 16 000 / 1200 = 13,3 кВт.
3. Воды через змеевик при её нагреве на 25 °C: 16 000 / (4,19 × 25) = 153 кг, то есть около 150 литров.

Средняя мощность больше 13 кВт — это уровень промышленного чиллера, поэтому сусло дома охлаждают проточной водой, а не чиллером.

Змеевик, противоток или пластины

Противоток выгоднее змеевика: на выходе сусло встречается с самой холодной водой и выходит лишь на несколько градусов теплее её, а вода на выходе нагревается почти до температуры горячего сусла, поэтому её уходит меньше. Пластинчатый теплообменник работает так же, на противотоке.

Пластинчатый теплообменник охлаждает сусло за один проход, но его каналы узкие: сусло перед ним очищают от хмеля и белкового осадка, а после варки промывают моющим раствором. Как устроены такие теплообменники, описано в справочнике о теплообменниках чиллера.

Где нужен чиллер

На мини-пивоварне сусло охлаждают в две ступени. Первая — водопроводная вода: она снимает основное тепло и доводит сусло примерно до 25 °C. Вторая — гликоль от чиллера: он доводит сусло до температуры брожения независимо от погоды.

Нагрузка второй ступени большая, но короткая, поэтому чиллер не подбирают на неё напрямую: он заранее охлаждает буферный бак гликоля, а во время охлаждения сусла холод берут из бака. Пример: 500 кг сусла охлаждают с 25 до 12 °C за 40 минут.

1. Тепло: Q = 500 × 4,0 × (25 − 12) = 26 000 кДж, это 7,2 кВт·ч.
2. Без бака чиллер должен был бы дать 26 000 / 2400 = 10,8 кВт.
3. С баком, который восстанавливают за 3 часа между варками, хватает 7,2 / 3 = 2,4 кВт на сусло, плюс брожение и теплопритоки танков.

Полный расчёт чиллера пивоварни — с брожением, захолаживанием и танками — в задаче о пивоварне, объём бака — в расчёте объёма бака-аккумулятора.

Что из этого следует для подбора

• Для домашней варки промышленный чиллер обычно не нужен: хватает змеевика и проточной воды.
• Для мини-пивоварни чиллер подбирают на всю пивоварню сразу: сусло, брожение, захолаживание и теплопритоки танков, а охлаждение сусла сглаживают буферным баком.
• Гликоль ниже нуля для второй ступени и рубашек танков — индивидуальный подбор; для его концентрации есть расчёт концентрации гликоля.