发酵罐冷却夹套的有关配置问题

啤酒厂发酵大罐冷却夹套的有关配置问题（节录）

1．冷却夹套的型式选择

啤酒发酵罐有三种冷却夹套型式可供选择，即：螺旋半园管式、蜂窝式和米勒板式三种。我国沈阳雪花啤酒厂早期引进的德国技术现场加工制造的发酵罐为半园管式冷却夹套；原北京华都啤酒厂从丹麦引进的发酵罐为蜂窝式冷却夹套；青岛啤酒二厂从法国引进的发酵罐为米勒板式冷却夹套。这三种型式都采用液氨冷却效果较好，较使用酒精水、乙二醇水或丙二醇水作冷媒可节电20%左右，制冷压缩机吸气温度达-5℃即可。（使用冷媒的制冷压缩机吸气温度必须低至-10℃）

2．冷却夹套的传热特点

发酵罐的直径从4000mm发展到现在的7200mm有效容积从130M3发展到650M3，甚至更大。因各厂麦汁成分、酵母、发酵工艺不同，发酵过程中温度、时间、压力控制不同。主酵开始时，一般先打开上部冷却带，发酵旺盛后再打开中部冷却带，发酵液的温度为下低上高，形成罐内对流循环。一般主酵结束后要急速降温，开启上、中、下全部冷却夹套，将酒液从12℃降至4℃左右；回收酵母后要继续将酒液冷却至-1℃。在后酵贮酒阶段一般只开启下部和锥底冷却夹套。因为啤酒的密度在2.5℃时最大，酒液降至-1℃后，在发酵罐内呈现上部温度低于锥底温度的状态，此时冷却过程的对流和主发酵为相反方向循环。后酵冷却过程也要防止啤酒在-2℃以下冻结，因而锥底冷却夹套的液氨蒸发温度必须控制在-2℃。从以上分析冷却夹套必须采用多段控制，以利于使用过程灵活调控。

3．发酵过程产热分析

首先算出发酵各个阶段罐内降糖产生的热量及热季罐外部散冷负荷。

1）主发酵过程是一个排热降温过程，浸出物形成的热量为163w/kg。大约2/3左右的浸出物在主发酵时被消耗掉，100L麦汁的浸出物以12kg计，主发酵期放出的热量为：163×12×2/3=1304w

这些热量必须通过冷却夹套排除，主发酵期间消耗浸出物是不均衡的，高泡期每天降糖2%，一般持续2～3天，按6天主发酵计，则每100L麦汁日最大排热量为

（1304÷6）×2=434.66w/hl·d

当罐内贮5000HL麦汁时，每小时必须消除热量为：

（5000×434.66）÷24=90554w

2）主发酵结束的温度一般控制在4℃以下，而整罐酒从12℃降至4℃耗冷也是相当大的，此时所需冷量为：

Q=G×C×△t/T

式中：Q—耗冷量w

G—单罐贮酒量kg（L）

C—酒的比热1.163w/kg

△t—温度差℃

T—冷却时间，一般24～36h

如果罐内贮酒4800HL，要从12℃降至4℃，要求36h内完成，则所需冷量为：

Q=480000×1×1.163×(12－4)/36=124053.3w

3）热季发酵罐体向外界散冷量为：

Q=K×F×△t

式中：

Q—散冷量w

F—发酵罐保温后外表面积m2

K—发酵罐保温后的传热系数W/m2·℃

△t—发酵罐外界空气和冷却夹套内流动冷剂的平均温度差，因大罐昼间受太阳幅射热的影响，表面温度很高。可近似按50℃计。

冷却夹套外保温通常采用聚氨酯泡沫塑料，厚度120～150mm不等，外保护屋采用不锈钢瓦楞板，大概的传热系数约为0.2w/m2·℃左右，如果500M3发酵罐外表面积400M2，则散热量为： Q=0.2×400×50=4000w

4．发酵罐冷却夹套传热面积的计算

在工程设计中，发酵罐冷却夹套种类多且传热过程极不稳定，又受发酵工艺曲线等多种因素影响，只能按稳定的热传导近似计算它的传热面积：

F=Q/K×△T M

式中：F—各段需要的冷却夹套面积m2

Q—主发酵不同阶段的排热量或需冷量w

K--冷却夹套的传热系数w/m2·℃

△T M—发酵罐壁内外侧流体的传热温差℃

冷却夹套的传热可视为平壁热传导，其传热系数K值可由下式表达：

K=（1/a1＋δ/λ＋1/α2）-1，单位为w/m2·℃

式中：α1、α2分别为发酵罐内外壁的传热系数，它与换热强度、冷剂或冷媒种类、壁面流速、两侧换热温差等到多种因素有关，单位为w/m2·℃，δ为罐壁厚度，单位为m，λ为罐壁钢材导热系数，碳钢λ值为58.2 w/m2·℃。

氨直接蒸发的发酵冷却夹套是一种特殊的蒸发器，只能根据国外啤酒设备公司提供的数据近似计算，分别为：

主发酵期热交换比较活跃阶段K值：

300×1.163=349 w/m2·℃

主发酵结束进入冷却阶段12 4℃温度段K值:140×1.163=162.8 w/m2·℃

前后酵转换冷却阶段4 -1℃温度段K值:111×1.163=129 w/m2·℃

按以上数据，5000HL麦汁在主发酵阶段冷却夹套通入-4℃液氨冷却，其所需冷却夹套面积应为： F=Q/K×△T=(90554＋4000)/349×14=19.3m2

主发酵结束进入冷却降温阶段,4800HL酒从12℃冷却至4℃所需冷量为:

F=(124053.3＋4000)/162.8×11.54=68m2

转入后发酵期酒温从4℃降至-1℃,冷却时间为96H,所需冷量为:

Q=[(480000×1×1.163×5)/96]＋4000=33075w

此阶段冷却夹套内液氨蒸发温度按-2℃计△t1=6；△t2=1

△T m=（6－1）/In6=2.79

则冷却夹套面积为：F=33075/129×2.79=91.89M2

此阶段只能开启下和锥底冷却夹套，上中部冷却夹套处于关闭状态。如果工艺上要求将冷却时间缩为24h，则冷负荷将加大，夹套面积也随之增大。锥底面积有限，冷却夹套应尽量布置，以上计算只是概略的，实际选项配时至少还要加20%裕度。除此之外还有多种估算法，有的和罐容挂钩，如：当采用-4℃液氨冷却时，取其罐容的30%，即500T大罐冷却夹套面积至少应在150m2以上；当采用酒精水或丙二醇水作冷媒时，取罐容的40%即同样500T大罐冷却夹套面积至少要200m2以上。

5．其它外界因素对冷却夹套传热的影响

1）冷却夹套内存油是采用液氨直接蒸发冷却方式难以避免的问题，因冷冻机油比液氨重，易存于冷却夹套的下部，使传热面积减少传热能力下降。我国目前大都采用喷