CN105229135B - 用于加热用于饮料生产的可发酵原料的装置和方法 - Google Patents

用于加热用于饮料生产的可发酵原料的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于加热用于饮料生产的可发酵原料的装置和方法。根据本发明，传热介质在传热介质循环(107)中在第一流动方向上经由用于储存/放出热的储热装置(105)，用于加热所述传热介质的加热介质(111)，和放热室(103)输送，在放热室(103)中所述热由所述传热介质传递至在管线(101)中流动的所述可发酵原料。

Description

用于加热用于饮料生产的可发酵原料的装置和方法
本发明涉及分别根据权利要求1和权利要求8的前序部分用于加热用于饮料生产的可发酵原料的装置和方法。
现有技术已经描述了用于加热酿造麦芽浆(Maische)的装置，所述装置公开在文件AT 390 266 B中。在此装置中，通过位于燃烧室内的规则卷绕的(螺旋状)管形成管线。所述管线与热源以传热接触连接，由此加热流过所述管线的酿造麦芽浆。该类装置也称作所谓的“外部锅炉”。在诸如参考文件AT 390 266 B描述的装置中，可以在短时间内用比较高的温度温和地加热任意的可发酵流体。
由于有些国家法律禁止使用气体或油燃烧器，所以存在创造对用于加热酿造麦芽浆的已知装置生态且经济合理的替代方案的需要。
本发明的用于加热用于饮料生产的可发酵原料的装置具有传热介质循环，其中传热介质在第一流动方向上经由用于储存/放出热的储热装置，用于加热所述传热介质的加热介质，和放热室输送，在放热室中所述热由所述传热介质传递至在管线中流动的所述可发酵原料。
本发明使得可以通过加热介质进一步将热施加到已经由储热装置施加有热的传热介质上，以便将所述放热室中的总的热放到所述管线中流动的所述可发酵原料上。也可以仅仅输送取自所述储热装置的热，由此实现各种不同的加热步骤。当所述可发酵原料的加热过程完成时，所述储热装置可以用供应到所述传热介质的加热介质的热部分或完全再充填。
根据本发明的可发酵原料可以是含有至少一种可发酵物质的多种物质的混合物或纯物质。在本发明的含义中，可发酵物质是可以分别在厌氧和/或有氧条件下通过微生物，如酵母和细菌，作为能量源和作为碳源利用的化合物。特别地，这包括单糖、二糖和多糖。特别优选的可发酵原料是含有果糖、葡萄糖、蔗糖、麦芽糖(麦芽糖)或淀粉中的至少一种或它们的降解产物之一的那些。特别地，这包括用于制备啤酒的原料诸如麦芽浆、啤酒麦芽汁、衍生的后产物(副产物)、溶解在水中的生果实(Rohfruechte)(如稻或玉米)。
根据本发明，所述传热介质在所述传热介质循环中的流动方向可以逆转为第二流动方向用于充填所述储热装置。
这是特别有利的，因为所述加热的传热介质会覆盖更短的距离，这降低了热损耗。
根据本发明，所述传热介质循环可以包含旁路管线，其分流所述放热室且通过它在所述储热装置充填过程中输送所述传热介质。
在此情况下，由于所述传热介质不必经由放热室传导，可以具有能量更有利且更短的充填操作。
根据本发明，所述传热介质的输送可以经由泵进行，其在非激活的状态下阻止了所述传热介质的通过量。
根据本发明，所述传热介质在所述第一流动方向上的输送可以通过装在分流所述放热室的旁路管线外侧的泵进行，而所述传热介质在第二流动方向上的输送可以通过装在分流所述放热室的旁路管线中的泵进行。由于每个泵均如此构造，使得在泵的非激活状态下阻止了所述传热介质的通过量，所述泵的此设置确保了所述传热介质分别经由最短的线路一方面输送到所述放热室，另一方面，输送到所述储热装置。
根据本发明，所述储热装置可以作为潜储热装置形成，其中在潜热装置中可以发生由所述传热介质向相变材料的热传递或反之亦然。
根据本发明，可以使用石蜡或盐作为相变材料，其中所述优选的冷凝温度为130℃-150℃，和所述重结晶温度为130℃-120℃。
根据本发明，所述加热介质可以构造为电加热。另外，所述传热介质可以为导热油。
作为电加热的构造使其可以满足法定条件，例如在其中禁止使用气体或油燃烧器的情况下。导热油的使用可以是特别有利的，因为导热油例如可以通过电加热部件加热，由此在发电合适(风电、太阳能电、水电)情况下，避免了环境废气污染。另外，导热油可以用于更高的温度范围而不改变其聚集状态或压力，因为其沸点温度在环境压力下大于300℃。因此，导热油可以在高达300℃的温度范围内使用，此外，导热油的能量效率远远优于例如水或蒸气/蒸汽。根据本发明用于加热用于饮料生产的可发酵原料的方法，包括如下步骤：
-将所述可发酵原料输送通过穿过放热室的管线，
-传热介质在第一流动方向上在循环中经由用于储存/放出热的储热装置输送，用于加热所述传热介质的加热介质，和放热室，其中所述热由所述传热介质传递至在管线中流动的所述可发酵原料。
根据本发明，所述储热装置在其部分或完全排放之后可以通过逆转所述传热介质的流动方向在第二流动方向上重新充填。
本发明其它的优点由下面目前优选的实施方案的描述变得显而易见，此描述与所述附图一起考虑。
在所述附图中，
图1是根据本发明的一个优选的实施方案根据本发明用于加热用于饮料生产的可发酵原料的装置的示意图；
图2是在其中加热用于饮料生产的可发酵原料的储热装置排放过程的示意图；
图3是所述储热装置的充填过程的示意图；
图4是本发明优选的实施方案的替代方案。
本发明优选的实施方案通过图1-3描述。在所述实施方案的描述中，使用麦芽浆和/或麦芽汁作为用于饮料生产的所述可发酵原料的实例。
用于加热用于饮料生产的可发酵原料的本发明的装置基本上由循环107组成，其中导热油作为根据本发明的传热介质的实例输送。储热装置(也称为“潜储存装置”)105，电加热器(也称为“热电加热”)111和放热室103(优选构造为外部锅炉)在所述循环107中顺时针设置。
根据所述实施方案，所述储热装置105通过多个管束储存装置形成，其用石蜡作为相变材料填充和并联连接。
所述电加热器111用于加热流过其中的所述导热油。所述加热的导热油在放热室103中向管线101中流动的麦芽浆或麦芽汁放出它的热，在其过程中冷却下来。在已经流过所述放热室之后，所述导热油流回所述储热装置105。在此第一流动方向上(图中顺时针)导热油的流动通过泵115实现，根据所述实施方案，其在所述第一流动方向上设置在所述放热室103上游和用作排放泵(用于排放所述储热装置105)。
相应地，在所述储热装置105充填的情况下可以加热流过所述储热装置105的导热油，以在所述电加热器111中进一步加热所述已经加热的导热油和在所述放热室103中放出热至麦芽浆或麦芽汁，由此将它们加热。
在此情况下，也可以使所述导热油传导穿过所述电加热器而不将其激活。相应地，在此情况下，所述导热油仅仅输送由所述储热装置105移除的热。
另外，根据所述实施方案用于加热麦芽浆或麦芽汁的装置配置了旁路管线107b用于分流所述放热室103。在所述旁路管线107b中装有以与泵115相对的方向泵送所述导热油的泵117。
在所述麦芽浆或麦芽汁的加热过程终止之后，根据本发明通过断开所述泵115(也称为排放泵)和通过开启所述泵117(也称为充填泵)，所述导热油在所述导热油循环107中的流动方向可以逆转为第二流动方向。这样，此时在所述第二流动方向上(图中逆时针)输送的所述导热油可以通过所述电加热器111输送和可以在其中被加热，以便然后通过所述储热装置105输送，其中它接着重新将通过电加热器111吸收的热释放到作为相变材料的石蜡，以便重新充填所述储热装置105。
图2示意性示出了所述储热装置105的排放过程或在管线101中输送的用于饮料生产的所述可加热原料的加热过程。在图2中，白色箭头标记了所述导热油在所述导热油循环107中的流动方向。所述加热的导热油在所述储热装置105与所述放热室101之间的管线中输送。这里，应当注意的是，通过由储热装置105排放的热加热的所述导热油可以在流过所述电加热器111期间进一步被加热以便满足对于热的峰值需求，但是这不是绝对必需的。
所述加热的导热油接着通过排放泵103的运行进一步输送到所述放热室103，其中所述热由所述加热的导热油释放到管线101中流动的麦芽浆或麦芽汁。所述冷却下来的导热油接着在所述管线中在第一流动方向上(图中顺时针)在下游由所述放热室103流向所述储热装置105。
图3示意性示出了所述储热装置105的充填过程，其在不要求向所述管线101中流动的用于饮料生产的原料放热时进行。当所述加热的用于饮料生产的原料例如在过滤过程中再次冷却下来时，或者当所述饮料生产完全停歇时，情况可能例如就是如此。在此情况下，所述冷却下来的导热油由所述储热装置105通过充填泵117在所述第二流动方向上(图中逆时针)穿过所述旁路管线107b泵送至所述电加热器111，其中所述导热油被加热。所述加热的导热油从所述电加热器111传导至所述储存装置105，其中它向用作相变材料的石蜡放出热以便使其液化。在所述石蜡完全液化后，所述储热装置105被完全充填。
优选地使用叶轮泵或齿轮泵作为泵115、117，其确保了每转固定的限定液体通过量，和另一方面，当在断开状态时，不允许所述导热油由于例如压力差流过。在所述储存装置105和所述充填系统(加热器111)的区域中可以有两个流动方向，在所述排放系统(放热室101或外部锅炉)的区域中仅仅一个流动方向。
优选地，所述储热装置以直立位装配，其中其高度远远大于其宽度和深度或其直径。管道束基本上平行于垂直轴设置。
进行充填时(例如过夜)，所述充填泵117激活；它将所述冷的导热油从所述潜储热装置(多个潜储热装置)105的底部移除，当流过所述热电附加加热器111时加热所述冷的导热油并将所述热的导热油传导回所述潜储热装置105的顶部。所述潜储热装置105由顶部至底部充填。在此功能下，所述排放泵不在运行，和由于其结构设计，防止了穿过所述外部锅炉103的不希望的流动。
当进行排放时，在使用或没有所述热电附加加热器111的情况下，所述潜储热装置中的流动方向逆转。所述充填泵不在运行，和由于其结构设计，防止了所述导热油流过。所述排放泵在运行中和将所述热的导热油从所述潜储热装置排出。所述导热油还可以通过所述热电附加加热器额外地加热。这可以通过所述外部锅炉根据所述整个系统的预定加热功率可变地调整。另外，所述排放泵115将所述冷却下来的导热油从底部传导回到所述潜储热装置105。
为了避免在使用或没有附加加热器的情况下由纯的充填切换到排放时所述外部锅炉中的温度峰值，以优选滑动的方式进行泵切换。这意味着所述排放泵另外缓慢地打开，同时所述充填泵依然在工作，由于在所述热电附加加热系统111中存在短时流动停止，所述电附加加热器111停止，和随后，所述充填泵关机。这使得所述流动方向变化和所述电附加加热器111的加热元件可以重新激活。与使用或没有附加加热器的条件下排放相比，使用纯的充填时的流动逆转的优点源自所述潜储热装置内部的所述热-虹吸效应，这允许更高的充填程度。
另一方面，在所述排放操作中充填程度是无关的，因为仅仅发生电附加加热和补偿了由于所述潜储热装置降低的容量导致的所述导热油温度下降提高，更确切地说损失的能量被补充馈入。
这样，通过使用本发明用于加热麦芽浆或麦芽汁的装置，必需的电连接负载值(Anschlusswert)可以减少大约60％同时性能数据保持相同；由此，不仅可用性成本(例如网络可用性US$6,000.00/1kW以上)可以大大降低，而且可以达到更小功率的连接负载值，其也可以通过可替代的能量更容易地实现。
下面是根据本发明用于加热用于饮料生产的可发酵原料的装置应用的一个实例，基于用于啤酒生产的酿造实例为基础。
用于酿造的能量源自所述酿造介质的体积、温差和该工艺的时间图。例如，此能量(热量)对于与外部锅炉相连的10hl汤煮(decoction brew)可以总计161kWh。为了保持所述必需的时间框架，88kW的能量连接负载值必须可用于所述加热。当使用液化气燃烧器时，此值可容易地达到且对于仅仅12.5kg的液化气的量也是没问题的。
然而，一方面鉴于成本和另一方面鉴于可行性，可能难以或者甚至不可能以电能形式提供此88kW的连接负载值。
根据本发明的此装置，包含带有相变材料的所述潜储热装置，使得能够储存高的温度范围—例如130℃-150℃的热。当如此进行时，可以同样通过使用电充填装置(热电加热器)以比较低的连接负载值达到所述潜储热装置的完全充填。此外，当排放所述潜储热装置时，此热电加热可用于提供额外加热，即：作为传热介质的所述导热油的温度可以进一步增加。
所述潜储热装置的尺寸取决于所述热电充填功率必须与所述外部煮沸系统相协调。
将以下面的数据为基础给出一个实例：
酿造厂容量：10hl麦芽汁(Ausschlagwuerze)；
使用的酿造方法：增加注入；
糖化温度：52℃；
所述潜储热装置的储存容量：80.62kWh；
热电导热油加热器：30kW。
对于52℃到78℃所述糖化工作，要求大致35.19kWh的热量。此热量可以由所述潜储热装置排放无需任何额外加热。在所述糖化工作之后，所述潜储热装置中依然剩余35.19kWh的热量。在第一过滤工艺过程中(头道麦芽汁)，所述热电加热器使所述潜储热装置重新充填。可用于此的时间总计大致45分钟。在此段时间内，所述潜储热装置再次经由所述热电加热器供应22.5kWh的热量，使得在此部分充填结束后所述潜储热装置具有大致57.69kWh的能量。
在第二过滤过程开始时(二道麦芽汁)，已经在所述酿造槽中的麦芽汁必须加热至沸腾温度。这必须在相应于所述第二过滤过程的持续时间的时间段内完成。所述加热在72℃开始和在98℃结束。同时，越来越大量的较冷的过滤麦芽汁随后由所述二道麦芽汁加入到该槽中。对于此过程要求大致65.5kWh的热。所述热通过排放所述潜储热装置得到，另一方面也额外来自所述热电加热器。此过程花费大致60分钟，所述热电加热器的充填容量总计30kWh。
当在所述潜储热装置中由来自所述排放和充填的所述前过程的剩余热量开始时，在此过程结束之后在所述潜储热装置中由所述热平衡剩余大致22.19kWh的热量。
所述最后的过程是麦芽汁沸腾，为此要求大致36.40kWh。由于使用所述热电附加加热器和来自所述潜储热装置中所述前过程的剩余能量，在所述麦芽汁煮沸终止之后所述潜储热装置中依然剩余大致15.79kWh的热量。
在所述酿造过程结束后，所述潜储热装置可以在两小时内通过所述热电加热器(30kW功率)重新充填至100％。没有发生同时排放。这样，代替具有88kW功率的电加热器，通过使用仅具有30kW功率的电加热可以达到相同功率值。所述可用的整体热量大致相等，通过所述储存系统仅仅满足所述峰值性能。
特别地，在偏远地区，电能的可用性一般也是有问题的。在该种情况下，所述热电加热系统可以用替代的系统如热太阳能系统或者具有内燃机的发电站组代替。有利地，不仅可以使用得到的电能，而且可以使用用于加热所述循环中的导热油的内燃机废热。
图4显示了如图1-3所示的用于加热用于饮料生产的可发酵原料的装置的替代装置。与上面呈现的装置的差别在于装有变向泵119，能够在所述第一和第二流动方向上泵送作为传热介质的所述导热油。相应地，根据此变型方案，也可以取消所述旁路管线107b。
虽然本发明已参考当前优选的实施方案进行了描述，但是应当指出的是本发明的范围仅通过所附的权利要求书确定。在所述权利要求书的范围内有利的变化在任何时候都是可以的。
特别地，可以使用基于热-太阳能或具有内燃机的发电站组的加热代替电加热。在此情况下，来自所述发电站组的废气序列的排放热可以用于在所述储热装置中经由所述导热油循环加热所述相变材料。此变型方案对于其中电能并非始终可用的偏远地区是特别令人感兴趣的。
可以提供一个单独的变向泵代替以所示的方式设置图1-3中的充填和排放泵，和通过阀门或等效的方式可以引起穿过所述放热室103或所述旁路管线107b的流动。

Claims (6)

1.用于加热用于饮料生产的可发酵原料的装置，其包括：
传热介质循环(107)，其中传热介质在第一流动方向上经由用于储存/放出热的储热装置，用于加热所述传热介质的加热介质，和放热室(103)输送，在放热室中所述热由所述传热介质传递至在管线(101)中流动的所述可发酵原料，
其特征在于：
所述储热装置作为潜储热装置(105)形成，其中在所述潜储热装置中发生由所述传热介质向相变材料的热传递，或发生由相变材料向所述传热介质的热传递；
其中所述传热介质的流动方向在所述传热介质循环(107)中逆转为第二流动方向用于充填所述储热装置，和其中所述传热介质循环(107)装有旁路管线(107b)，其分流所述放热室(103)且通过它在所述储热装置(105)的充填过程中输送所述传热介质。
2.根据权利要求1所述的用于加热用于饮料生产的可发酵原料的装置，其中所述传热介质的输送经由泵(115、117)进行，其在非激活状态下阻止了所述传热介质的通过量。
3.根据权利要求2所述的用于加热用于饮料生产的可发酵原料的装置，其中所述传热介质在所述第一流动方向上的输送经由装在分流所述放热室(103)的旁路管线(107b)外侧的泵(115)进行，而所述传热介质在第二流动方向上的输送通过装在分流所述放热室(103)的所述旁路管线(107b)中的泵(117)进行。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的用于加热用于饮料生产的可发酵原料的装置，其中使用石蜡或盐作为相变材料，其冷凝温度为130℃-150℃和其重结晶温度为130℃-120℃。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的用于加热用于饮料生产的可发酵原料的装置，其中所述加热介质构造为电加热器(111)和/或所述传热介质为导热油。
6.用于加热用于饮料生产的可发酵原料的方法，其包括如下步骤：
-将所述可发酵原料输送通过穿过放热室(103)的管线(101)，
-传热介质在第一流动方向上在循环(107)中经由用于储存/放出热的潜储热装置(105)，用于加热所述传热介质的加热介质，和所述放热室(103)输送，在潜储热装置(105)中在所述潜储热装置中热由所述传热介质输送到相变材料或由相变材料输送到所述传热介质，在放热室(103)中所述热由所述传热介质传递至在管线(101)中流动的所述可发酵原料；
其中所述储热装置(105)在其部分或完全排放之后通过将所述传热介质的流动方向逆转为第二流动方向重新充填，和其中所述传热介质循环(107)装有旁路管线(107b)，其分流所述放热室(103)且通过它在所述储热装置(105)的充填过程中输送所述传热介质。
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