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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufheizen und Kochen von
Bierwürze
und Bier-Würze-Sudbehälter mit
einem Innenkocher, insbesondere Röhrenkocher. Bei einer vielfach
nach dem Stand der Technik etablierten Wärmeübertragungsvorrichtung, dem
sogenannten Innenkocher findet während der
Aufheizung vielfach eine undefinierte Umwälzung der Würze im beheizten Wärmetauscherohrbündel statt,
so dass die Bierwürze
in diesem Prozessschritt eine ungewünschte hohe thermische Belastung
erfährt.
Um diese für
die Würzequalität nachteiligen
Effekte zu vermeiden schlägt
die Erfindung eine ausreichende Zirkulation der Würze 13 durch
einen Innenkocher insbesondere während
des Aufheizens folgendermaßen
vor: Der über
dem Rohrbündel 2a durch
Würzeleitkonus 2b und
Steigrohr 2c geschlossene Innenkocher verfügt über eine
Zirkulationsleitung 3a, die über eine Absperrvorrichtung 4 geöffnet werden
kann, so dass die Würze
hier abfließen
kann. Hierdurch entsteht eine gleichmäßige Nachströmung der
Würze über den
gesamten Rohrbündelquerschnitt 2a,
so dass eine ungewollte Überhitzung
der Würze
hierdurch vermieden werden kann. Die abgeführte Würze wird über eine Pumpe 6 durch
eine Rückführleitung 8a und 8b wieder
in das Gefäß 1 rückgeführt. Zur
Erzielung einer verbesserten Austreibung von unerwünschten
Aromastoffen erfolgt dies vorteilhaft über dem Würzeniveau 20 derart, dass
eine große
Oberfläche
erzeugt wird.
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Im
Prozess der Bierherstellung wird nach dem Abläutern die Würze von einer Abläutertemperatur
von ca. 78°C
auf Kochtemperatur erhitzt und anschließend gekocht, wobei wichtige
technologische Prozesse stattfinden, wie zum Beispiel: Lösung und Umwandlung
von Hopfenbestandteilen, Bildung und Ausfällung von Eiweiß-Gerbstoffverbindungen,
Verdampfen von Wasser, Sterilisation der Würze, Zerstörung von Enzymen, Zufärbung der
Würze,
Säuerung
der Würze,
Bildung von reduzierenden Stoffen und Austreiben/Desorbieren von
flüchtigen
Aromastoffen (Dimethylsulfid).
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In
einem nachfolgenden Schritt wird die Bierwürze zur Abscheidung von ausgefälltem Heißtrub in einen
sogenannten Whirlpool gepumpt.
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Für diesen
Aufheiz- und Kochprozess der Würze
kommen nach dem Stand der Technik üblicherweise 3 verschiedene
Kochsysteme oder Kombinationen dieser zum Einsatz:
- 1. Sogenannte Außenkochersysteme,
die durch einen Wärmetauscher
außerhalb
der Würzepfanne
oder eines Kombigefäßes charakterisiert
sind. Diese Systeme benötigen
für die
Würzeumwälzung große Pumpenleistungen
und somit hohen Bedarf an elektrischer Hilfsenergie. Die externen Wärmetauscher
erfordern zusätzlichen
Aufwand an Verrohrungsinstallationen und Isoliermaßnahmen.
- 2. Dünnschichtverdampfungssysteme,
bei denen die Würze
zum Aufheizen und Kochen mittels Umwälzpumpe in einer filmartigen
Benetzung über
eine beheizte Oberfläche
gepumpt wird. Diese Systeme nach dem Stand der Technik erfordern
großen
Platzbedarf für
die Installation und bedürfen
einer Pumpenumwälzung
während
des gesamten Prozesses.
- 3. Am verbreitetsten sind sogenannte Innenkochersysteme, bei
denen das Aufheizen und Kochen der Würze durch einen im Gefäß installierter Wärmetauscher
erfolgt, der in der Regel als Rohrbündelwärmetauscher mit Würzeumlenk-
und -leitvorrichtung ausgestattet ist.
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Die
Erfindung betrifft ein Innenkochersystem. Solche Innenkochersysteme
leiten sich von den sogenannten Naturumlaufverdampfern, wie in der chemischen
Industrie bekannt, ab.
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Eine
Würzepfanne
mit einem zentral eingebauten Innenkocher ist z.B. durch die Patentschrift
DE 43 04 383 C1 bekannt.
Innenkocher bestehen aus einem Rohrbündel mit vertikalen Rohren,
das zur Wärmeübertragung
auf die Würze
mit Heizdampf oder flüssigem
Heizmedium, wie z.B. Hochdruck-Heißwasser beaufschlagt wird.
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Die
Würze kann
von unten in das beheizte Rohrbündel
eintreten und wird durch thermische Effekte senkrecht im Innenkocher
nach oben gefördert. Zur
Reduzierung von Schaumbildung und Erhöhung der Beschleunigung des
Zweiphasigen Würze-Dampfgemisches
sind verschiedene konusartige Leiteinrichtungen bekannt, die in
der Regel über
den Würzefüllstand
bei gefüllter
Würzepfanne
herausragen. Neben den Leiteinrichtungen sind in der Regel so genannte
Umlenkschirme installiert, die die heiße Würze wieder auf die Würzeoberfläche zurückführen und
zudem unerwünschte
leichtflüchtige
Aromastoffe aus der Würze
austreiben. Bekannt sind hierzu Ausführungen nach
DE 195 39 509 ,
DE 297 13 679 oder
DE 100 26 573 .
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Während der
Kochphase bildet sich kontinuierlich in den Verdampferrohren ein
Zweiphasengemisch bestehend aus heißer flüssiger Würze und Dampfblasen. Dieses
Zweiphasengemisch hat eine deutlich niedrigere Dichte als die im
Gefäß umliegend anstehende
flüssige
Würze.
Durch diesen großen Dichteunterschied
resultiert eine treibende Kraft, die für eine starke Umwälzung durch
die senkrechten Kocherrohre sorgt. Diese Umwälzung u.a. hat folgende positive
Effekte auf den Würzekochvorgang:
- 1. Die Würze
wird im Gefäß homogen
verteilt, da sich im Gefäß auch eine
entsprechende Strömung
einstellt.
- 2. Durch die Umwälzung
kann mit Hilfe von so genannten Würzeumlenkschirmen eine große freie Oberfläche zur
Desorption von unerwünschten Aromastoffen
erfolgen.
- 3. Durch die hohe Geschwindigkeit in den Wärmetauscherrohren ergibt sich
ein guter würzeseitiger Wärmeübergang
bei niedrigen Verweilzeiten an der heißen Rohroberfläche. Die
wirkt sich technologisch schonend auf die Inhaltsstoffe, insbesondere
Eiweißstoffe
aus.
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Beim
Aufheizen von Abläutertemperatur
von ca. 75–78°C auf Kochtemperatur
von ca. 100°C
kann sich bei rein konvektivem, d.h. einphasigem Wärmeübergang
in den Wärmeübertragerrohren
des Innenkochers nur eine kleine Dichtedifferenz zwischen heißer leichterer
Würze in
den Rohren und kalter schwerer Würze
umliegender Würze
einstellen. So kann sich bei Aufheizung durch rein konvektiven Wärmeübergang
keine ausreichende Umwälzung,
wie dies bei der Kochung der Fall ist, ausbilden. In der Praxis kommt
es zu instationären Überhitzungszuständen in den
Wärmetauscherrohren
verbunden mit Dampfblasenbildung und einem zyklischen pulsierenden
Ausschieben des überhitzen
Zweiphasengemisches. Mit Nachströmen
von kalter Würze
in die Heizrohre wird der Vorgang wieder unterbrochen. Mit zunehmender Temperatur
werden die Zyklen kleiner und der Prozess geht in eine kontinuierliche
Umwälzung über.
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Hieraus
resultieren u.a. für
die Aufheizphase folgende Probleme:
- 1. Durch
die zyklische lokale Überhitzung
der Würze
in den Wärmtauscherrohren
kommt es zu einer starken thermischen Schädigung der Würze, verbunden
zum Beispiel mit unerwünschten Eiweißschädigungen
oder Zufärbungen
der Würze.
- 2. Die Eiweißausfällungen
verursachen an den Wärmetauscherrohren
starke Belagbildung, was wiederum den Wärmeübergang verschlechtert und
den Reinigungsaufwand erhöht.
- 3. Die Aufheizung des Würzeinhaltes
in der Pfanne ist durch die geringe Strömung inhomogen, so dass thermisch
beeinflusste technologische Prozesse wie z.B. DMS-Precursor Spaltung
ebenfalls inhomogen ablaufen.
- 4. Der Wärmeübergang
ist durch diese undefinierte Strömung
in den Rohren deutlich niedriger als in der Kochphase. Dies verlängert die
Aufheizzeit bzw. erfordert eine entsprechende Vergrößerung der
Heizflächen.
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Diese
negativen Effekte ergeben sich aus der oben beschriebenen üblichen
geometrischen Anordnung für
Innenkochersysteme. Insbesondere bei einer zum umliegenden Würzeraum
geschlossenen Leiteinrichtung, ergibt sich eine Beeinträchtigung
der Strömung
der Würze
beim Aufheizen bei rein konvektiver Umlaufströmung im Vergleich zu einem
Rohrbündel
ohne diese Leiteinrichtungen. Um diesen Effekt der Strömungsbeeinträchtigung
und somit auch die damit verbundenen thermischen Schädigungen der
Würze zu
reduzieren sind für
diese konusartigen Leiteinrichtungen verschiedene Ausführungen
bekannt.
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Bei
einer bekannten Ausführung
(
DE 3442516 C1 )
sind über
der oberen Rohrplatte des Heizbündels
im Öffnungen
angebracht die zwar beim Aufheizen eine Konvektionsströmung erlauben.
Beim Kochen tritt jedoch ebenfalls ein Teil der Würze durch diese Öffnungen
aus, wodurch keine optimale Austreibung der unerwünschten
Aromastoffe über
den darüber
liegenden Umlenkschirm erreicht wird.
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Zur
Lösung
dieser Problematik des Aufheizens wird in der Patentschrift
DE 43 04 383 C1 eine Zwangsumwälzung für den Innenkocher
mit einer zusätzlichen
Pumpe vorgeschlagen. Der Innenkocher ist hierbei unten geschlossen
ausgeführt
und wird über
einen Pumpenkreislauf, der Würze
aus Pfanne ansaugt versorgt. Bei der Kochung sind hohe Strömungsgeschwindigkeiten
im Zulauf erforderlich um ein partielles Austrocknen der Kocherrohre
zu vermeiden. Aus diesem Grunde sind bei dieser Ausführung sehr
große
Pumpenleistungen erforderlich, um beim Kochen ein stabiles Betriebsverhalten
sicherzustellen. Die erforderliche Umwälzmenge beträgt ein Vielfaches
der üblicherweise
zum Entleeren (Ausschlagen) der Würzepfanne installierten Pumpe.
Somit sind für
den Betrieb hohe elektrische Antriebsleistungen erforderlich. Zudem
entsteht ein hoher Verrohrungsaufwand mit großen Nennweiten für Rohrleitungen
und Armaturen.
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Eine
andere Lösung
wird im Gebrauchsmuster
DE
296 09 642 U1 vorgeschlagen. Hierbei soll die Aufheizung
und Gleichverteilung der Temperaturen im Gefäß durch eine Umwälzung der
Würze mit
zentraler Anströmung
des Innenkochers von unten und Absaugung der Würze an anderer Stelle im Gefäß verbessert
werden. Die Gleichverteilung der Temperaturen der Würze im Gefäß kann durch
Ausbildung einer Strömung
zwar deutlich verbessert werden, eine gleichmäßige Durchströmung durch
alle Rohre kann nicht erreicht werden. Mit wirtschaftlich sinnvoll dimensionierten
Pumpenleistungen lässt
sich in der Aufheizphase bei oben geschlossenem Innenkocher der
erforderliche Staudruck durch eine freie Anströmung von unten nicht erreichen,
der zur kontinuierlichen Durchströmung des Innenkochers erforderlich wäre, so dass
die Würze
bis nach oben über
den Würzespiegel
hinaus gefördert
wird. Selbst bei Ausführung
mit oberen Öffnungen
oder eines Ringspaltes zwischen Würzeleitblech und Rohrbündel ist durch
einzelne Anströmrohre
keine gleichmäßige Anströmung zu
erreichen. In der Praxis stellt sich bei dieser technischen Lösung eine
Rückströmung im Rohrbündel an
den weniger angeströmten
Rohren ein. Dies bedeutet jedoch, dass in Bereichen der Innenkocherrohre
wieder undefinierte Verweilzeiten resultieren mit den bereits oben
beschriebenen Nachteilen. Insbesondere bei größeren Rohrbündeldurchmessern gestaltet
sich die Gleichverteilung der Anströmung als schwierig.
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In
der Patentschrift (PCT/EP2004/002286 oder WO2004/092321 A1) wird
vorgeschlagen in den Raum über
dem Rohrbündel
des Innenkochers und dem konische Würzeleitblech eine Absaugvorrichtung
zu installieren, die die Würze
in diesem Raum durch eine Konstruktion nach dem Wasserstrahlpumpenprinzip
(Injektorprinzip) absaugt und nach oben über einen zusätzlichen
Zwangsangeströmten
Würzeverteilschirm
fördert.
Die Förderenergie
für diese Wasserstrahlpumpe
liefert ebenfalls ein Würzevolumenstrom
der über
ein Zentralrohr geführt
ist, das von unten durch das Innenkocherrohrbündel verläuft. Dieses Zentralrohr ist
Bestandteil eines Umwälzkreislaufes,
der die Würze
aus dem Gefäß abzieht und über eine
externe Pumpe fördert.
Durch diese Anordnung kann insbesondere beim Aufheizen die Würze über dem
Rohrbündel
absaugt werden, so dass eine gleichmäßige Nachströmung der
Würze über den
gesamten Rohrbündelquerschnitt
gegeben ist. Nachteilig an dieser Ausführung ist, dass zur Erzielung
einer thermodynamisch und technologisch wirksamen Durchströmung des
Rohrbündels
eine große
externe Umwälzleistung
erforderlich ist, da der Absaugeffekt durch Impulsübertragung
der Würze aus
dem Umwälzkreislauf
an die ruhende Würze
erfolgt. Das heißt,
dass zur Absaugung eines wirksamen Würzevolumenstromes aus dem Innenkocherinnenraum
ein Vielfaches dieses Volumenstromes durch eine externe Pumpe umgewälzt werden
muss. Mit zunehmender Steighöhe,
das heißt
bei zunehmender Gefäßgröße wird
das Verhältnis
von umgepumpter und angesaugter Würze immer ungünstiger bzw.
kann nur durch gesteigerte Strömungsgeschwindigkeit
in der Strahlpumpenkonstruktion kompensiert werden.
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Ein
weiterer Nachteil technologischer Art ergibt sich durch den Effekt,
dass die bereits im Rohrbündel
aufgeheizte Würze
sich im Injektor mit kalter Würze
vermischt, wieder abkühlt
und so die Effizienz des Austreibens von unerwünschten Aromastoffen während des Aufheizphase
nachteilig beeinflusst. Nachteilig auf die Reinigungsfähigkeit
des Systems wirken sich die zusätzlichen
Einbauten im Innenkocher aus.
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Aufgabe
der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung ist durch Verbesserung
der Strömungsführung der
Würze einen
Innenkocher zum Einbau in ein Gefäß zur Würzekochung zu schaffen, der
durch entsprechende Beeinflussung der Aufheiz- und Kochphase den
Würzekochungsprozess
technologisch, thermodynamisch und energetisch optimal führt. Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die Anordnung einer Zirkulationsleitung 3a,
die über
dem Rohrbündel 2a und
unterhalb der Würzeleiteinrichtung
bestehend aus einem Würzeleitkonus 2b,
einem Steigrohr 2c und einem Umlenkschirm 2d und
mit dem Abstand h unterhalb des Würzespiegels angeordnet ist.
Insbesondere während
der Aufheizphase kann bei Betrieb der Pumpe 6 die erwärmte Würze aus
dem Raum über
dem Rohrbündel 2e abgeführt werden,
wodurch unter Ausnutzung des geodätischen Höhenunterschieds h wiederum
kalte Würze unterhalb
des Innenkocherrohrbündels 2a gleichmäßig über alle
Rohre nachströmt
und wiederum aufgeheizt wird. Die nach Durchströmen des Rohrbündels erwärmte Würze wird
nach Abfließen
durch die Zirkulationsleitung 3a über eine Pumpe 6 und
eine Rückführleitung 8a und
Verteilvorrichtung 8b in das Würzegefäß 1 zurückgeführt. Die
Rückführung der
Würze erfolgt
Idealerweise über
dem Würzespiegel
derart, dass eine möglichst
große
Oberfläche
erzeugt wird. Dies kann über
eine tangentiale Einleitung 8b gemäß 1 an die
Gefäßwandung
erfolgen.
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1 zeigt
eine vorteilhafte Ausführung
der Erfindung bei der die Zirkulationsleitung 3a mit einer Absperrvorrichtung 4 versehen
ist und weitere Absperrorgane 7 und 11 sowie zusätzliche
Leitungen 10 und 12 so angeordnet sind, dass mit
der Zirkulationspumpe 6 das Würzegefäß nach dem Kochprozess auch
entleert werden kann. In der Aufheizphase sind die Absperrorgane 9 am
Gefäßauslauf
und 11, das zum Transfer der Würze für den nachfolgenden Prozessschritt
(in der Regel die Heißtrubabscheidung) dient,
hierbei geschlossen.
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Durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung
ergeben sich durch die mittels des Zirkulationskreislaufes 3a, 4, 3b, 6, 7, 8a, 8b entstandene
Strömung
im Rohrbündel
des Innenkochers folgende Vorteile:
- 1. Eine
Vermeidung der technologisch unerwünschten Überhitzung der Würze insbesondere während der
Aufheizphase kann für
den gesamten Rohrbündelquerschnitt
sichergestellt werden.
- 2. Durch die Zwangsströmung
ergibt sich für
die kritische Aufheizphase ein deutlich besserer konvektiver Wärmeübergang
für die
Würze.
- 3. Durch die Vermeidung von Überhitzungen
insbesondere während
der Aufheizphase kann auf wirksame Weise die Ausfällung von
anorganischen und organischen Stoffen auf der Heizfläche, das
so genannte Fouling auf einen Bruchteil von konventionellen Systemen
reduziert werden.
- 4. Durch das Rückführen der
bereits aufgewärmten
Würze in
das Würzegefäß mit einer
entsprechender Vorrichtung zur Oberflächenvergrößerung kann ein deutlich wirksamerer
Austreibungseffekt der leichtflüchtigen
Komponenten wie zum Beispiel Dimethylsulfid erzeugt werden, als
bei anderen Ausführung
wo die bereits aufgewärmte Würze durch
Vermischung mit kalter Würze
vor dem Desorbieren wieder rückgekühlt wird.
Für die Austreibung
von Dimethylsulfid ist die thermische Spaltung eines Vorproduktes,
dem so genannten DMS-Precursor erforderlich. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung der
Zirkulation ohne Rückkühlung durch
Vermischung mit kalter Würze
wird die erforderliche Reaktionstemperatur zur Spaltung des DMS-Precursors
früher
im Prozessverlauf erreicht als bei anderen Systemen ohne dass eine
thermische Schädigung
der Würze
hierbei auftritt.
- 5. Im Vergleich zu den bisherigen Systemen, die mit externer
Pumpenunterstützung
arbeitenden Lösungen
nach den Stand der Technik wird die Strömung im Innenkocher mit dem
niedrigsten sekundärseitigen
Energieaufwand für
das Umpumpen realisiert, da der geschlossene Umwälzkreislauf in der erfindungsgemäßen Ausführung auch den
Innenkocher inklusive dem Wärmetauscherrohrbündel beinhaltet.
Das heißt,
dass der gleiche Volumenstrom, der durch die externe Pumpe gefördert wird
auch durch die Innenkocherohre fließt. Bei den anderen technischen
Lösungen
ist der Volumenstrom, der durch das Wärmetauscherrohrbündel fließt jeweils
nur ein Bruchteil dessen der durch die Externpumpe gefördert wird. Hieraus
resultiert, dass die erfindungsgemäße Ausführung zur Unterstützung der
Aufheizphase mit einer Externpumpe den besten Strömungstechnischen
Wirkungsgrad aufweist beziehungsweise den niedrigsten Bedarf an
elektrischer Zusatzenergie hat.
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Vorteilhaft
können
folgende erfindungsgemäße Ausführungen
sein:
- 1. Gemäß 2 entsprechend
den Patentansprüchen
6 mit einem zusätzlichen
Ausdampfgefäß 5 mit
Abdampfleitung 5a in die Atmosphäre zur Verstärkung der
Austreibeffekte während
der Pumpenumwälzung.
Hierdurch kann der Austreibeffekt von unerwünschten Aromastoffen nochmals verbessert
werden.
- 2. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist
in Patentanspruch 7 gemäß 3 dargelegt
wobei die Austreibung von unerwünschten Aromastoffen
mit einer zentralen Würzeverteileinrichtung 20 während der
Pumpenumwälzung
erfolgt.
- 3. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist
in Patentanspruch 10 gemäß 4 dargelegt,
wobei ein zusätzlicher
externer Wärmetauscher 30 in
der Zirkulationsleitung 8a zur Erhöhung der Aufheizleistung bzw.
für besonders schonenden
Wärmeübergang
während
des Aufheizens installiert ist. Besonders vorteilhaft ist dies bei
Nachrüstung
von bestehenden Innenkochersystemen mit kleinen Innenkocherheizflächen.
- 4. 3. zeigt gemäß Patentanspruch
8 einen zusätzlichen
Würzeeinlauf
unterhalb des Würzespiegels
zur Vermischung des Gefäßhaltes.
Dies kann vorteilhaft zur Eliminierung von Strömungstotzonen bei bestehenden
Gefäßen mit
strömungsungünstigen
Gefäßformen
sein, da durch eine kontrollierte Vermischung des Gefäßinhaltes eine
gleiche Prozessqualität
für den
gesamten Gefäßinhalt
realisiert werden kann.
- 5. 4 zeigt gemäß Patentanspruch
9 eine erfindungsgemäße Ausführung mit
einem Gefäß mit flachem
Boden 1a und zusätzlichen
Würzeanstichen 17a + 17b,
zusätzlichen
Absperrvorrichtungen 16a + 16b und einer Sammelleitung 17c,
so dass das Gefäß mittels
geeigneter tangentialer Einlaufverrohrung 15 als Whirlpool
benutzt werden kann.
- 6. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist
in Patentanspruch 11 gemäß 5 dargelegt,
wobei die Zirkulationspumpe 6 in das Innenkocherrohrbündel 2a integriert
und vorteilhaft als Axialpumpe ausgeführt ist und er Zulauf 3a im
Rohrbündel
verläuft,
die Auslaufverrohrung 8c unter Umgehung der Ausschlagpumpe 6a direkt
in die Rückführleitung 8a angeschlossen
ist.
- 7. 6 zeigt gemäß Patentanspruch
12 eine erfindungsgemäße Ausführung mit
zusätzlicher Verrohrung 3c und
zusätzlichen
Absperrorganen 4a und 4b, so dass bei Betrieb
der Pumpe 6, geöffneten
Absperrorganen 4, 4a und 9, geschlossenen Absperrorganen 7 und 11 bei
Vorlage einer Reinigungsflüssigkeit
im Würzebehälter 1 eine Reinigung
der Zirkulationsleitung 3a mit Absperrorgan 4 möglich ist.