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 кожух отрубный 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 на внутренней стенке труб образуется:

· зона начала образования пузырьков пара (2), которая при дальнейшем подъеме переходит

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

· происходит парообразование во всем объеме сусла (4), тогда как снаружи пар отдает свою энергию парообразования (энтальпию) и конденсируется, слой конденсата, 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 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 (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 кипения еще очень велика разность температур между паром и выходящим суслом. Из-за этого в данной области происходит сначала карамелизация и затем пригорание

· Более холодное сусло постоянно поступает в кипятильник снизу, и выходит вверху лишь тогда, когда оно начинает кипеть. Но при парообразовании объем жидкости существенно увеличивается. Из-за этого объемный расход сусла временно тормозится, и возникает сильная пульсация закипающего сусла в ходе его нагрева до температуры 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.

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 равномерней темпера туры сусла во всем котле, для чего можно использовать насос для выгрузки горячего охмеленного сусла, который должен иметь частотное регулирование и конструкцию, обеспечивающую бережную перекачку сусла и

· исключать во время нагрева сусла возникновение температурного расслоения сусла внутри котла, а также

· поддерживать во время кипения естественную циркуляцию.

К этому также относится:

· оптимизация стадий процесса кипячения («ароматическое кипячение») путем гибкого управления объемным расходом циркулирующего сусла, а также температурой и давлением пара;

· применение распределительного экрана для сусла с целью обеспечения максимального испарения.

При оптимизированном по стадиям працесса ароматическом кипячении(система кипячения «Экотерм» (Ecotherm), 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:

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

· 30 мин, при более низкой интенсивности нагрева продолжается расщепление предшественника ДМС при постоянной температуре в котле (99°С) и экономится тепловая энергия;

· 20 мин, повышается интенсивность нагрева с целью корректировки содержания азотистых веществ путем форсирования процесса выпадения белков.

Применение отражающего экранадля 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 сжимается 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.