DE102013200473A1

DE102013200473A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung eines Gär- und/oder Lager-Tanks

Info

Publication number: DE102013200473A1
Application number: DE102013200473.7A
Authority: DE
Inventors: Alexander Rackerseder; Michael Zock
Original assignee: Krones AG
Current assignee: Krones AG
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2014-07-17
Also published as: ZA201505039B; WO2014111198A1; EP2946157A1; CN205119653U

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Kühlung eines Gär- und/oder Lagertanks zur Verfügung, die umfasst: Zumindest einen Wärmeübertrager, der dazu ausgebildet ist, Wärme von dem Gär- und/oder Lagertank auf ein Kühlmittel zu übertragen, zumindest eine mit dem Wärmeübertrager verschaltete Kälteanlage, wobei die Kälteanlage einen ersten Temperaturzweig mit einem ersten Kompressor und einen zweiten Temperaturzweig mit einem zweiten Kompressor umfasst, und wobei die Kälteanlage mit dem Wärmeübertrager derart verschaltet ist, dass das Kühlmittel wahlweise nacheinander mit einer ersten Temperatur von dem ersten Temperaturzweig zu dem Wärmeübertrager und mit einer zweiten, von der ersten Temperatur verschiedenen Temperatur von dem zweiten Temperaturzweig zu demselben Wärmeübertrager lieferbar ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung, insbesondere zur Mantelkühlung, eines und/oder mehrerer Gär- und/oder Lagertanks, insbesondere während der Gärphase und der Phase des Abkühlens, insbesondere bei der Bierherstellung.
Stand der Technik
Bei der Herstellung vergorener flüssiger Lebensmittel, insbesondere von Bier, findet der Gärprozess über einen bestimmten Zeitraum bei einem bestimmten, fest vorgegebenen Temperaturverlauf, z. B. einer maximalen Temperatur von +20 °C statt, welche von der Herstellungsmethode abhängt und beispielsweise anhand eines Gärdiagramms dokumentiert wird. Während des Gärprozesses setzt die der Würze zugesetzte Hefe den enthaltenen Zucker in Alkohol, CO₂ und Wärme um (sobald der Würze die Hefe zugesetzt wird und der Gärprozess eingeleitet wird, spricht man von Jungbier). Bei obergärigen Hefen liegt die optimale Gärtemperatur über 13 °C, meist sogar oberhalb 18 °C, klassisch sogar bis etwa 25 °C. Für untergärige Hefen werden hingegen bei klassischen Verfahren Temperaturen zwischen 6 °C und 18 °C angewendet. Der Hauptgärprozess dauert bei Verwendung von obergäriger Hefe etwa drei bis fünf Tage und bei untergäriger Hefe in der Regel länger, teilweise bis zu etwa zehn bis zwölf Tage. Beim industriellen Verfahren findet der Gärprozess, zumindest der Hauptgärprozess, im Allgemeinen in geschlossenen zylindrokonischen Tanks statt. Um die Temperatur dieser Gärtanks über den Zeitraum der Gärphase konstant zu halten bzw. anhand eines vorgegebenen Temperaturprofils zu steuern oder zu regeln, muss die entstehende Wärme daher kontinuierlich abgeführt werden. Die Gärtanks werden dazu während der Gärphase kontinuierlich gekühlt.
Neben der wenig effizienten Raumkühlung wird dabei im Allgemeinen die Mantelkühlung der Gär- und/oder Lagertanks über auf der Tankaußenseite angebrachte Kühlvorrichtungen, also Wärmeübertrager, eingesetzt. Die frei werdende Gärwärme wird dabei über Kühlflächen, die von außen am Zylindermantel und/oder am Konus angebracht sind, abgeführt. Die dazu benötigte Kälteleistung ergibt sich aus der verwendeten Herstellungsmethode in Abhängigkeit von der Menge der zu vergärenden Würze, dem Extraktabbau und der Gärzeit, und kann durch die folgende Formel abgeschätzt werden: Kälteleistung = {Menge der Würze [hl] × Extraktabbau [kg/hl] × 135 [kcal/kg]}/Gärzeit
Auf den Hauptgärprozess folgt bei der Bierherstellung im Allgemeinen eine Phase der Nachgärung und eine Abkühlphase, während derer der Gär- und/oder Lagertank von der Temperatur der Gärphase, z. B. +20 °C, auf die Lagertemperatur von z. B. –1 °C bis +3 °C bzw. auf eine darüber liegende Temperatur zur Nachgärung von z. B. +2 °C bis +4 °C abgekühlt wird. Im Allgemeinen, sprich bei klassischen Verfahren, wird dabei der Gärtank bereits bei der Nachgärung abgekühlt. Es soll jedoch angemerkt werden, dass es auch Gärverfahren gibt, in welchen die Temperatur in der Nachgärphase angehoben wird. Somit können die in der Hauptgärphase entstandenen Gärungsnebenprodukte durch die Hefe schneller abgebaut werden. Je nach Herstellungsverfahren kann die Nachgärung aber auch in einem anderen Tank, z. B. einem zweiten zylindrokonischen Tank oder in einem liegenden Tank, in den Lagerkellern und damit unabhängig von der Hauptgärung erfolgen. Je nachdem, ob die Hauptgärung sowie Nachgärung und Lagerung im selben Tank stattfindet oder nicht, spricht man vom Eintank- bzw. Zweitankverfahren. Beim Zweitankverfahren nennt man den Prozessschritt des Umpumpens, von einem Tank (z. B. Hauptgärung) in einen anderen Tank (Nachgärung und Lagerung), „Schlauchen“. In diesem Fall wird dann meist bereits in dem Tank, in welchem die Hauptgärung stattfindet, auf die Schlauchtemperatur heruntergekühlt, wobei die Schlauchtemperatur beispielsweise +2 °C bis +4 °C betragen kann. In dem Tank, in welchem die Nachgärung und die Lagerung stattfinden, muss dann die gewünschte Temperatur für die Nachgärung eingehalten werden bzw. auf die Lagertemperatur von z. B. –1 °C bis +3 °C heruntergekühlt werden. Weiterhin gibt es auch Zweitankverfahren, bei welchen die Hauptgärung und Nachgärung in einem ersten Tank und die Lagerung in einem zweiten Tank stattfindet. Hierbei wird das Jungbier im ersten Tank endvergoren, wobei das Abkühlen auf die Lagertemperatur auf z. B. –1 °C bis +3 °C meist auch in diesem ersten Tank erfolgt. Im zweiten Tank muss dann die Lagertemperatur lediglich gehalten werden. Bei einem Eintankverfahren spricht man bei den Tanks häufig von Unitanks, wobei der Tank sowohl für den Hauptgär-, Nachgär- und den Lagerprozess benutzt wird. Oft werden zylindrokonische Tanks so konstruiert, dass diese wahlweise sowohl als Gär- als auch als Lagertanks eingesetzt werden können.
Somit unterteilt sich der Prozess der Herstellung vergorener flüssiger Lebensmittel, insbesondere von Bier, in zwei Phasen, welche unterschiedliche Anforderungen an das verwendete Kühlsystem und die verwendete Kälteanlage stellen: Während der ersten Phase, der Gärphase, muss die Temperatur des Gärtanks über einen bestimmten Zeitraum (z. B. von mehreren Tagen) konstant bei der optimalen Gärtemperatur gehalten werden. Hingegen soll das Jungbier während der zweiten Phase, das heißt der Phase des Herunterkühlens, innerhalb einer vom Betreiber vorgegebenen Zeit (beispielsweise bei 1 °C pro Stunde) von der Gärtemperatur auf die deutlich niedrigere Lagertemperatur oder Schlauchtemperatur herunter gekühlt werden. Herkömmliche Kälteanlagen sehen daher zwei getrennte Kühlvorrichtungen mit getrennten Kühlflächen, z. B. als Mantelkühlung am Konus und als Schlauchkühlung, vor, welche mit unterschiedlichen Vorlauftemperaturen betrieben werden. Die unterschiedlichen Vorlauftemperaturen der unterschiedlichen Verbraucher, d. h. Wärmeübertrager, werden dabei entweder über ein Gegendruckventil bei Verwendung von Kompressionskältemaschinen oder über Beimischung eines Kälteträgers mit einer höheren Temperatur zu dem Kälteträger mit der niedrigen Temperatur erreicht. Obwohl die Nachgärung und das Herunterkühlen auch unmittelbar im Gärtank durchgeführt werden können, sieht der Stand der Technik somit stets getrennte Kühlvorrichtungen mit getrennten Kühlkreisläufen für die beiden Phasen vor.
Moderne Brauereien verwenden im Allgemeinen zur oben genannten Kühlung eine oder mehrere Kompressionskältemaschinen, welche neben dem Wärmeübertrager (Verdampfer) einen Kompressor zum Komprimieren des gasförmigen Kältemittels umfassen. Vom Kompressor wird das verdichtete Kältemittel in einen weiteren Wärmeübertrager (Verflüssiger) geleitet, wo es unter Wärmeabgabe kondensiert. Das nunmehr flüssige Kältemittel wird über eine Drossel, z. B. ein Expansionsventil oder ein Kapillarrohr, entspannt und anschließend wieder dem Verdampfer zugeführt. Der Energieverbrauch einer Kompressionskältemaschine ist dabei in erster Linie durch das Druckverhältnis zwischen dem Enddruck und dem Saugdruck des verwendeten Kompressors und dessen Arbeitszahl (COP – Coefficient of Performance) bestimmt. Je größer der Unterschied zwischen der Verdampfertemperatur und der Kondensatortemperatur, desto höher ist die benötigte Leistung des Kompressors. Bei herkömmlichen Kälteanlagen in Brauereien werden entweder die beiden oben beschriebenen Kühlphasen über getrennte Kälteanlagen mit getrennten Verbrauchern, d. h. Tanks, realisiert oder alternativ ein einzelner Tank mit einer Kälteanlage bei der niedrigsten benötigten Verdampfertemperatur betrieben. Dadurch erhöhen sich jedoch im ersten Fall die Investitionskosten und im zweiten Fall die Betriebskosten aufgrund der größeren Differenz zwischen Kondensatortemperatur und Verdampfertemperatur.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine effiziente und energiesparende Kühlung eines Gär- und/oder Lagertanks, bzw. einer Tankfarm aus mehreren (mindestens zwei) Gär- und/oder Lagertanks sowohl während der Gärphase als auch während der Phase des Herunterkühlens ohne die oben genannten Nachteile zu gewährleisten. Ganz allgemein besteht die Aufgabe, den Energieverbrauch einer bei der Herstellung vergorener flüssiger Lebensmittel eingesetzten Kälteanlage zu reduzieren.
Beschreibung der Erfindung
Die oben genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Kühlung eines Gär- und/oder Lagertanks, umfassend
zumindest einen Wärmeübertrager, der dazu ausgebildet ist, Wärme von dem Gär- und/oder Lagertank auf ein Kühlmittel zu übertragen,
zumindest eine mit dem Wärmeübertrager verschaltete Kälteanlage, wobei die Kälteanlage einen ersten Temperaturzweig mit einem ersten Kompressor und einen zweiten Temperaturzweig mit einem zweiten Kompressor umfasst, und
wobei die Kälteanlage mit dem Wärmeübertrager derart verschaltet ist, dass das Kühlmittel wahlweise nacheinander mit einer ersten Temperatur von dem ersten Temperaturzweig zu dem Wärmeübertrager und mit einer zweiten, von der ersten Temperatur verschiedenen Temperatur von dem zweiten Temperaturzweig zu demselben Wärmeübertrager lieferbar ist.
Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung eine Vorrichtung zur Mantelkühlung eines Gär- und/oder Lagertanks, bei welcher der zumindest eine Wärmeübertrager von außen auf dem Gär- und/oder Lagertank angebracht ist. Zusätzlich oder alternativ kann der zumindest eine Wärmeübertrager auch im Inneren des Gär- und/oder Lagertanks angebracht sein. Dabei kann ein einzelner Wärmeübertrager oder auch eine Gruppe aus zwei oder mehreren Wärmeübertragern zur Kühlung eingesetzt werden, wobei die Gruppe aus zwei oder mehreren Wärmeübertragern mit einer gemeinsamen Kühlmitteltemperatur betrieben wird. Somit wird erfindungsgemäß ein und derselbe Gär- und/oder Lagertank mit ein und demselben zumindest einen Wärmeübertrager zum Abführen der prozesstechnischen Gärwärme beim Vergären von Flüssigkeiten, wie Würze, Jungbier, usw. und zum Abkühlen der Flüssigkeit mit zwei unterschiedlichen Temperaturen eines Kühlmittels betrieben. Dabei wird das Kühlmittel wahlweise nacheinander, d. h. in getrennten Phasen und in Abhängigkeit von der Stellung einer oder mehrerer Regelventile, mit der ersten oder der zweiten Temperatur zu demselben zumindest einen Wärmeübertrager geliefert. Die Erfindung umfasst ebenso eine Anlage mit mehreren Gär- und/oder Lagertanks, wobei jeder Gär- und/oder Lagertank zumindest einen Wärmeübertrager aufweist, welcher erfindungsgemäß mit zwei unterschiedlichen Temperaturen eines Kühlmittels betrieben wird. Insbesondere umfasst die Erfindung eine Tankfarm, umfassend mehrere Gär- und/oder Lagertanks, welche jeweils in unterschiedlichen Phasen oder Teilphasen des Herstellungsprozesses, d. h. der Gärphase und der Abkühlphase, betrieben werden.
Je nachdem, ob es sich bei dem Kühlmittel um ein zu verdampfendes Kältemittel (direkte Kühlung, siehe weiter unten) oder um einen flüssigen Kälteträger (indirekte Kühlung, siehe ebenfalls weiter unten) handelt, kann der Wärmeübertrager als Verdampfer oder als Flüssigkeitsrekuperator ausgebildet sein. Als Verdampfer kann der Wärmeübertrager als Steilrohrverdampfer, Röhrenkesselverdampfer, Rippenrohrverdampfer, Rohrschlangenverdampfer, Plattenverdampfer, Kühltasche, insbesondere Pillow Plate Kühltasche (siehe unten), oder in irgendeiner bekannten Bauart ausgeführt sein. Der Wärmeübertrager kann insbesondere ein Wärmeübertrager mit Kältemitteleinspritzung, d. h. ein Verdampfer mit Trockenexpansion, sein, welcher am Eintritt mit einem Drosselorgan ausgerüstet ist, das so ausgelegt ist, dass das Kältemittel am Austritt vollständig verdampft und überhitzt ist. Als Flüssigkeitsrekuperatoren können Plattenwärmeübertrager, Spiralwärmeübertrager, Rohrwärmeübertrager bzw. Rohrbündelwärmeübertrager, U-Rohrwärmeübertrager, Mantelrohrwärmeübertrager, oder ähnliche eingesetzt werden. Dabei können einige der genannten Bauarten sowohl zur direkten Kühlung als auch zur indirekten Kühlung, sprich als Verdampfer bzw. als Flüssigkeitswärmeübertrager, verwendet werden. Zudem kann der Wärmeübertrager auch alternativ oder zusätzlich innerhalb des Gär- und/oder Lagertanks angebracht sein.
Gemäß der Erfindung ist mit dem Wärmeübertrager zumindest eine Kälteanlage verschaltet, d. h. durch Rohrleitungen verbunden, wobei die Kälteanlage zumindest einen ersten Temperaturzweig und einen zweiten Temperaturzweig umfasst. Dabei können eine oder mehrere getrennte Kälteanlagen (siehe unten) mit dem Wärmeübertrager verschaltet sein. Jeder der zumindest zwei Temperaturzweige umfasst dabei einen Kompressor, dessen Betriebsparameter, insbesondere das Druckverhältnis von Enddruck zu Saugdruck, also der Kompressionsgrad, speziell so gewählt werden können, dass das Kühlmittel von dem ersten Temperaturzweig mit einer ersten Temperatur zu dem Wärmeübertrager und von dem zweiten Temperaturzweig mit einer zweiten, von der ersten Temperatur verschiedenen Temperatur zu demselben Wärmeübertrager lieferbar ist. Insbesondere können die jeweiligen Kompressoren gemäß dem benötigten Druckverhältnis mit einer optimalen Arbeitszahl (COP – Coefficient of Performance), d. h. mit einem optimalen Verhältnis der Kühlleistung zur elektrischen Leistung, ausgewählt werden. Somit kann gemäß der Erfindung durch Bereitstellen von je einem separaten Temperaturzweig mit einem gemäß der gewünschten Kühlmitteltemperatur ausgewählten Kompressor die elektrische Leistung der gesamten Vorrichtung optimiert werden. Insbesondere kann die erste Temperatur gemäß der technischen Spezifikationen wie Wärmedurchgangskoeffizient und Wärmeübergangskoeffizient des Wärmeübertragers und der während der Gärphase benötigten Kühlleistung gewählt werden, während die zweite Temperatur entsprechend den Spezifikationen des Wärmeübertragers und der für ein Herunterkühlen des Gär- und/oder Lagertanks in einer vorgegebenen Zeit benötigten Kühlleistung bestimmt werden kann. Im Allgemeinen, aber insbesondere bei der Bierherstellung, liegt dabei die zweite Temperatur wesentlich unter der ersten Temperatur (siehe auch Beispiele weiter unten), so dass die Temperaturdifferenz zwischen Verdampfertemperatur und Kondensatortemperatur für den ersten Temperaturzweig wesentlich geringer ist als die entsprechende Differenz für den zweiten Temperaturzweig.
Eine Reduktion dieser Differenz durch eine niedrigere Kondensatortemperatur und/oder eine höhere Verdampfertemperatur ist jedoch gleichbedeutend mit einer Reduktion der elektrischen Antriebsleistung des entsprechenden Kompressors und dient somit der Energieeinsparung. Da im Allgemeinen die Kondensatortemperatur von der Umgebungstemperatur bzw. der Temperatur eines weiteren Kühlmediums fest vorgegeben ist, nutzt daher die vorliegende Erfindung die Tatsache, dass zur Konstanthaltung der Gärtemperatur bereits eine wesentlich höhere Kühlmitteltemperatur als die Kühlmitteltemperatur während der Phase des Herunterkühlens ausreicht, um elektrische Energie einzusparen.
Als Kompressoren können insbesondere Hubkolbenverdichter, Schraubenverdichter, Rollkolbenverdichter, Drehkolbenverdichter und Turboverdichter verwendet werden. Jeder Temperaturzweig kann darüber hinaus einen separaten Verflüssiger (Kondensator) enthalten, in welchem das komprimierte Kühlmittel unter Abgabe von Wärme an die Umgebung oder ein weiteres Kühlmedium verflüssigt wird. Alternativ kann die Kälteanlage einen gemeinsamen Kondensator für den ersten und den zweiten Temperaturzweig aufweisen, insbesondere bei Betrieb mit einem einzigen Gär- und/oder Lagertank, wobei die Kompressoren alternierend betrieben werden. Als Kondensator können die bekannten Typen verwendet werden, insbesondere wassergekühlte Kondensatoren wie Rohrbündelkondensatoren, luftgekühlte Kondensatoren oder Verdunstungskondensatoren. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst weiterhin eine Drosseleinrichtung, insbesondere in der Form eines Expansionsventils, welche den Wärmeübertrager von dem zumindest einen Kondensator trennt. Bei Einsatz eines Kältemittels als Kühlmittel, d. h. bei Verwendung eines Direktverdampfers als Wärmeübertrager, wird die Drosseleinrichtung vorteilhafter Weise unmittelbar am Eintritt des Wärmeübertragers angebracht. Bei Einsatz eines Verdampfers mit Trockenexpansion als Wärmeübertrager kann insbesondere ein thermostatisches Expansionsventil verwendet werden, welches mechanisch oder elektronisch geregelt werden kann. Bei mechanischer Regelung kann insbesondere am Austritt des Verdampfers ein Kapillarfühler an die entsprechende Rohrleitung angelegt werden, wobei der Hub des Einspritzventils/Expansionsventils und damit der Einspritzmassenstrom in dem Verdampfer über den Druck der eingeschlossenen Kapillarflüssigkeit geregelt wird. Als Regelgröße wird dabei die Überhitzung des austretenden Kältemittels genutzt.
In einer alternativen Ausführungsform kann die zumindest eine Kälteanlage auch als Absorptionskühlanlage ausgebildet sein, wobei an die Stelle des Kompressors ein Absorber, ein Temperaturwechsler und ein Kocher treten. Das im Wärmeübertrager verdampfte Kältemittel wird hierbei im Absorber in einer Flüssigkeit, im Allgemeinen Wasser, gelöst, wobei die entstehende Lösungswärme über einen separaten Kühlkreislauf abgeführt wird. Die mit Kältemittel angereicherte Flüssigkeit wird über den Temperaturwechsler dem Kocher zugeführt, wo das gelöste Kältemittel durch Erhitzen wieder ausgetrieben wird. Das ausgetriebene Kältemittel wird anschließend im Kondensator wieder verflüssigt. Dabei erhitzt die vom Kocher an den Absorber zurückfließende, vom Kältemittel abgereicherte Flüssigkeit über den Temperaturwechsler die im Zulauf zum Kocher befindliche, mit Kältemittel angereicherte Flüssigkeit. Erfindungsgemäß wird vom Wärmeübertrager Kältemittel mit unterschiedlichen Rücklauftemperaturen im ersten bzw. zweiten Temperaturzweig an den jeweiligen Absorber geliefert, so dass die für die Absorption/Lösung benötigte Kühlung des Absorbers auf die jeweilige Rücklauftemperatur optimiert werden kann. Dadurch ergibt sich gegenüber dem Stand der Technik mit nur einem Temperaturzweig eine Energieersparnis in Form von nicht benötigter Kühlleistung am Absorber.
Bei Verwendung eines Kälteträgers als Kühlmittel, welcher den Wärmeübertrager in flüssiger Form durchströmt, können der erste Temperaturzweig und der zweite Temperaturzweig jeweils als vollständiger Temperaturkreislauf einer Kompressionskältemaschine, umfassend einen Kompressor, einen Kondensator, eine Drosselvorrichtung und einen Verdampfer, ausgelegt sein, wobei zumindest ein Kältemittel als zweites, von dem Kälteträger verschiedenes Kühlmittel in dem jeweiligen Verdampfer verdampft und dabei Kälte auf den Kälteträger überträgt, welcher dann vom jeweiligen Verdampfer zu dem Wärmeübertrager geliefert wird. Somit sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung bei Verwendung eines Kälteträgers als Kühlmittel zwei miteinander gekoppelte Kühlkreisläufe vor, wobei der erste Temperaturzweig und der zweite Temperaturzweig als Teil einer Kompressionskältemaschine den in dem Wärmeübertrager erwärmten Kälteträger beim Durchströmen des jeweiligen Verdampfers auf die erste bzw. zweite Temperatur abkühlen.
Ein Kälteträger ist hierbei ein Kühlmittel, welches Wärme aufnimmt, ohne dabei zu verdampfen. In der Weise, wie der Kälteträger bei der Wärmeübertragung erwärmt wird, muss er wieder abgekühlt werden (indirekte Kühlung). Erfindungsgemäß geschieht diese Abkühlung auf eine erste bzw. eine zweite Temperatur durch zwei getrennte Temperaturzweige der Kälteanlage. Dadurch kann analog zur Verwendung eines Kältemittels und eines Verdampfers als Wärmeübertrager eine Energieeinsparung durch Einsatz eines jeweils für die gewünschte Temperatur und den gewünschten Druck optimierten Kompressors erreicht werden. Als Kälteträger kommen dabei nur frostsichere, d. h. im gesamten Kühlkreislauf in flüssiger Form vorliegende, und nicht aggressive Kühlmittel in Betracht, insbesondere Glykol und chlorfreie Edelsole. Weitere mögliche Kälteträger sind inhibiertes Glykol, Ethylen-Glykol-Wasser (EWG) und Propylen-Glykol-Wasser (PWG). Die Erfindung ist dabei nicht auf die hier genannten Kühlmittel beschränkt.
Bei Verwendung der indirekten Kühlung befinden sich die verwendeten Drosseleinrichtungen bzw. Expansionsventile am Zulauf des jeweiligen Verdampfers, während im Kälteträgerkreislauf lediglich ein Regelventil und eventuell Pumpen den Zufluss des Kälteträgers zu dem Wärmeübertrager regeln. Als Kältemittel, unabhängig davon, ob für die Direktverdampfung in dem Wärmeübertrager eingesetzt oder als zumindest zweites Kühlmittel, von welchem in dem jeweiligen Verdampfer Kälte auf einen bei der indirekten Kühlung eingesetzten Kälteträger übertragen wird, kann insbesondere R717 Ammoniak verwendet werden (siehe unten). Weitere Kältemittel sind beispielsweise R290 Propan, R744 Kohlenstoffdioxid, Butan, fluorierte Kohlenwasserstoffe (FKW), teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW), wie z. B. R134A (Tetrafluorethan), R507, R407C und R404A, sowie Kohlenwasserstoffe, wie Propylen, Isobutan und Propan. Neben Einstoffkältemittel können auch Kältemittelgemische zum Einsatz kommen. Hierbei unterscheidet man azeotrope Gemische von solchen mit Temperatur-Glide. Die Erfindung ist dabei nicht auf die hier genannten Kältemittel beschränkt.
Die Kälteanlage bzw. der erste und der zweite Temperaturzweig, insbesondere bei indirekter Kühlung, können darüber hinaus weitere Elemente zur Optimierung der Kühlleistung enthalten. Insbesondere können die Kühlkreisläufe der verwendeten Kompressionskältemaschinen als einstufige Kälteanlage mit Abscheider- und Pumpenumlauf, als Kälteanlage mit Economiser, als Kälteanlage mit innerem Wärmeübertrager und/oder Enthitzer, oder als zwei- oder mehrstufige Kälteanlage mit entsprechend zwei oder mehr Kompressoren pro Temperaturzweig ausgebildet sein. Dabei können außer den Kompressoren alle weiteren Komponenten, wie Abscheider, Kondensatoren, und Economiser entweder jeweils separat pro Temperaturzweig oder gemeinsam für alle Temperaturzweige ausgeführt sein. In einer alternativen Weiterbildung können der erste und der zweite Temperaturzweig auch in räumlich getrennten Kälteanlagen ausgeführt sein, insbesondere im Falle der Weiterbildung zur indirekten Kühlung. Der Einspareffekt bezüglich der benötigten elektrischen Energie ergibt sich in jedem Fall, sofern von dem ersten bzw. zweiten Temperaturzweig mit jeweils separaten, optimierten Kompressoren das Kühlmittel mit der ersten bzw. zweiten Temperatur zu dem Wärmeübertrager geliefert wird, sei es direkt vom Kompressor als zu verdampfendes Kältemittel oder indirekt mit Wärmeaustausch über einen oder mehrere Verdampfer.
Gemäß einer Weiterbildung umfasst der Wärmeübertrager eine Kühltasche, insbesondere eine Pillow Plate Kühltasche. Die eine oder mehrere Kühltaschen sind hierbei auf der Außenseite des Gär- und/oder Lagertanks, insbesondere im Bereich des Konus eines zylindrokonischen Gär- und/oder Lagertanks, aber auch auf der Zarge des Tanks angebracht. Für eine möglichst hohe Effizienz der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es wichtig, eine möglichst geeignete Geometrie der Kühltaschen beim Engineering der Kühltaschen zu beachten. Besonders effektiv ist dabei die Verwendung von Pillow Plates als Kühltaschen, welche im Allgemeinen aus dünnen Metallflächen bestehen, welche durch Punktschweißen mit der Oberfläche eines dickeren Metallbleches verbunden sind. Nach dem Schweißen wird der umschlossene Raumbereich unter Druck gesetzt, so dass das dünne Metallblech sich um die Schweißpunkte ausbeult und dadurch Raum für das durchströmende Kühlmittel schafft.
Die Kühltaschen können in unterschiedlichen Kühlzonen auf den Gär- und/oder Lagertanks angebracht sein. Dabei ist jede Kühltasche im Allgemeinen mit Absperrventilen ausgestattet. Die Auslegung der Kühltaschen am Gär- und/oder Lagertank muss dabei in einer Form erfolgen, dass die entstehende Gärwärme mit der entsprechenden höheren ersten Temperatur des Kältemittels bzw. Kälteträgers, z. B. bei +5 °C, erfolgen kann. Im Allgemeinen wird dabei die Auslegung der Kühlzonen bzw. Kühltaschen am Tank durch den Prozess des Herunterkühlens definiert, in welchem die entsprechenden Wärmemengen in einer wesentlich kürzeren Zeit abzuführen sind, so dass die für den Prozess des Herunterkühlens ausgelegten Kühltaschen automatisch ebenso für das Abführen der Gärwärme geeignet sind.
Die Verwendung einer oder mehrerer Pillow Plate Kühltaschen ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft, insbesondere bei direkter Kühlung, da es aufgrund der Geometrie der Pillow Plate Kühltasche (freier Innendurchmesser von beispielsweise 3 bis 4 mm) bei der Verdampfung des eingespritzten Kältemittels, insbesondere von Ammoniak, aufgrund der hierbei eintretenden Volumenerhöhung zu einer hohen Strömungsgeschwindigkeit des Gases in der Kühltasche kommt. Aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Gases wird dabei verhindert, dass sich im Kältemittel befindliches Öl, zum Beispiel zur Schmierung der Kompressoren, in den Kühltaschen sammelt, da dieses über die hohe Strömungsgeschwindigkeit in der Kühltasche mitgerissen wird.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung umfasst die Vorrichtung zur Kühlung des Gär- und/oder Lagertanks eine Rückführeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, einen Strom des Kühlmittels von dem Wärmeübertrager zu der Kälteanlage zu liefern,
wobei die Rückführeinrichtung eine erste Umschaltvorrichtung sowie eine erste Rücklaufleitung und eine zweite Rücklaufleitung umfasst,
wobei die erste Rücklaufleitung dazu ausgebildet ist, einen Strom des Kühlmittels von der ersten Umschaltvorrichtung zu dem ersten Temperaturzweig zu liefern, und
wobei die zweite Rücklaufleitung dazu ausgebildet ist, einen Strom des Kühlmittels von der ersten Umschaltvorrichtung zu dem zweiten Temperaturzweig zu liefern.
Die erste Umschaltvorrichtung kann dabei unmittelbar am Auslauf des Wärmeübertragers angebracht sein. Über die erste Umschaltvorrichtung kann somit in Abhängigkeit davon, welche Kühlleistung im Wärmeübertrager benötigt wird, also welche Temperatur das den Wärmeübertager durchströmende Kühlmittel besitzt, geregelt werden, ob das Kühlmittel wahlweise über die erste Rücklaufleitung zurück zu dem ersten Temperaturkreis oder über die zweite Rücklaufleitung zurück zu dem zweiten Temperaturkreis geliefert wird. Die erste Umschaltvorrichtung realisiert somit eine Aufspaltung des Kühlkreislaufes, welcher aus der Kälteanlage und dem Wärmeübertrager besteht, in Temperaturzweige, welche spezifisch für bestimmte Kühlmitteltemperaturen, also für spezielle Phasen während des Gär- und/oder Lagerprozesses, verwendet werden und welche sich in der Kälteanlage in Form des ersten und des zweiten Temperaturzweigs fortsetzen. Daher kann das Kühlmittel mit der jeweiligen Temperatur gezielt eingesetzt werden. Bei Verwendung eines zu verdampfenden Kältemittels, z. B. von Ammoniak, liegt das Kältemittel dabei in der ersten bzw. zweiten Rücklaufleitung jeweils mit einem anderen Druck bzw. einer anderen Rücklauftemperatur vor, welche gemäß dem Druckverhältnis des jeweiligen Kompressors gesteuert bzw. geregelt wird. Dabei kann die Einspritzung des Kältemittels in den Wärmeübertrager so geregelt werden, dass die Rückführung des Kältemittels zur Vermeidung von Nachverdampfungen im Kältemittelrücklauf in im Wesentlichen gasförmiger Form geschieht. Dies kann durch Kontrolle, Dosage und Regelung des Kältemittelzuflusses im Vorlauf des Wärmeübertragers erreicht werden. Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betrieb einer Tankfarm, bei welcher sich verschiedene Tanks in verschiedenen Phasen befinden, lässt sich durch Einsatz jeweils einer Umschaltvorrichtung pro Tank der simultan stattfindende Rücklauf des in den jeweiligen Wärmeübertragern erwärmten Kühlmittels über lediglich zwei (bei mehr als zwei Temperaturen entsprechend mehr) Rücklaufleitungen realisieren, wodurch Investitionskosten eingespart werden können.
Als Umschaltvorrichtung kann hier und im Folgenden eine beliebige Umschaltvorrichtung verwendet werden, welche dazu ausgebildet ist, ein Fluid, insbesondere ein Kühlmittel, von einer Zufuhrleitung wahlweise an eine erste Auslaufleitung oder eine zweite Auslaufleitung zu liefern (Umschaltvorrichtung zur Aufteilung und Weiterleitungsmöglichkeit von ein auf zwei Leitungen), oder dazu ausgebildet ist, ein Fluid, insbesondere ein Kühlmittel, wahlweise von einer ersten Zulaufleitung oder einer zweiten Zulaufleitung an eine Auslaufleitung zu liefern (Umschaltvorrichtung zur Zusammenführung und Weiterleitung von zwei auf eine Leitung). Insbesondere kann eine jede Umschaltvorrichtung ein Drei-Wege-Umschaltventil umfassen. Weiterhin kann ein jedes Drei-Wege-Umschaltventil vorzugsweise mit Rückschlagklappe(n) und/oder Absperrventil(en) ausgestattet sein.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung kann die Vorrichtung zur Kühlung eines Gär- und/oder Lagertanks weiterhin eine Zuführeinrichtung umfassen, die dazu ausgebildet ist, einen Strom des Kühlmittels von der Kälteanlage zu dem Wärmeübertrager zu liefern,
wobei das Kühlmittel ein Kältemittel, insbesondere Ammoniak, umfasst, und wobei die Zuführeinrichtung lediglich eine Vorlaufleitung umfasst, welche mit dem Wärmeübertrager von unten verbunden ist.
Bei direkter Kühlung des Gär- und/oder Lagertanks mit Hilfe eines ein Kältemittel umfassenden Kühlmittels kann trotz mehrerer Kühlmitteltemperaturen im Rücklauf beim Zuführen des Kühlmittels zu dem Wärmeübertrager mit einer einzigen Vorlaufleitung gearbeitet werden, da insbesondere die verwendeten Expansionsventile unmittelbar am Einlauf der als Wärmeübertrager verwendeten Verdampfer angebracht werden können. Die Reduzierung auf den für die benötigte Verdampfertemperatur verwendeten Druck geschieht dabei erst beim Durchgang durch das jeweilige Expansionsventil, so dass selbst bei Zuleitung des ein Kältemittel umfassenden Kühlmittels zu mehreren Gär- und/oder Lagertanks eine einzige Vorlaufleitung von der Kälteanlage zu der entsprechenden Tankfarm ausreicht. Dadurch können insbesondere Investitionskosten durch Reduzierung der Verrohrung eingespart werden, sowie die Isolierung bzw. Klimatechnik der Zuführeinrichtung vereinfacht werden.
Erfindungsgemäß kann diese eine Vorlaufleitung mit dem Wärmeübertrager von unten verbunden werden, so dass über die gezielte Einspritzung des Kältemittels von unten eine möglichst komplette Verdampfung des Kältemittels in dem Wärmeübertrager, insbesondere der Kühltasche, gewährleistet ist. Dadurch verringern sich mögliche Nachverdampfungen in den Rücklaufleitungen zu der Kälteanlage, was sich wiederum positiv auf die zu komprimierende Menge an Kältemittel am jeweiligen Kompressor auswirkt. Weiterhin ist die Verwendung eines Kältemittels, insbesondere Ammoniaks, als Kühlmittel vorteilhaft, da aufgrund der direkten Verdampfung des Kältemittels in der Kühltasche geringere Verluste auftreten als bei indirekter Kühlung. Des Weiteren reduzieren sich die Investitionskosten aufgrund der im Durchmesser kleineren Vor- und Rücklaufverrohrung und der Möglichkeit, mit nur einer Vorlaufleitung zu arbeiten. Bei Einspritzung des Kältemittels von unten in den Wärmeübertrager kann das verdampfte, gasförmige Kältemittel entsprechend von oben über eine Rücklaufleitung entnommen werden, so dass im Rücklauf lediglich gasförmiges Kältemittel vorliegt.
Alternativ kann gemäß einer Weiterbildung die Vorrichtung zur Kühlung eines Gär- und/oder Lagertanks eine Zuführeinrichtung umfassen, die dazu ausgebildet ist, einen Strom des Kühlmittels von der Kälteanlage zu dem Wärmeübertrager zu liefern,
wobei das Kühlmittel einen Kälteträger, insbesondere Glykol, umfasst, und die Zuführeinrichtung eine zweite Umschaltvorrichtung sowie eine erste Vorlaufleitung und eine zweite Vorlaufleitung umfasst,
wobei die erste Vorlaufleitung dazu ausgebildet ist, einen Strom des Kühlmittels mit der ersten Temperatur von dem ersten Temperaturzweig zu der zweiten Umschaltvorrichtung zu liefern, und
wobei die zweite Vorlaufleitung dazu ausgebildet ist, einen Strom des Kühlmittels mit der zweiten Temperatur von dem zweiten Temperaturzweig zu der zweiten Umschaltvorrichtung zu liefern.
Gemäß dieser Weiterbildung findet eine indirekte Kühlung des Gär- und/oder Lagertanks statt, bei welcher der Kälteträger in flüssigem Aggregatzustand den Wärmeübertrager durchströmt und über die erste bzw. zweite Rücklaufleitung zu einem oder mehreren Wärmeübertragern, insbesondere Verdampfern, zurückgeführt wird, an welchen der Kälteträger durch Wärmeaustausch mit dem ersten bzw. zweiten Temperaturzweig der Kälteanlage auf die erste bzw. zweite Temperatur herunter gekühlt wird. Über die erste bzw. zweite Vorlaufleitung wird dann der Kälteträger mit der ersten bzw. zweiten Temperatur zu dem Wärmeübertrager geliefert. Bei Verwendung eines gemeinsamen Verdampfers für den Wärmeaustausch mit dem ersten und zweiten Temperaturzweig werden separate Verbindungsleitungen der ersten Rücklaufleitung mit der ersten Vorlaufleitung bzw. der zweiten Rücklaufleitung mit der zweiten Vorlaufleitung durch denselben Verdampfer geführt. Die zweite Umschaltvorrichtung kann insbesondere unmittelbar am Einlauf des Wärmeübertragers angebracht sein, so dass die Verbindung von der Kälteanlage zu dem Gär- und/oder Lagertank bzw. der Tankfarm vollständig durch getrennte erste und zweite Vorlaufleitungen überbrückt wird. Letztere Ausführungsform ermöglicht dabei, insbesondere im Betrieb von mehreren Gär- und/oder Lagertanks in unterschiedlichen Phasen, d. h. Gär- und Abkühlphasen, ein schnelles Umschalten eines Tanks der Tankfarm von einer auf die andere Phase. Bei Verwendung eines Kälteträgers als Kühlmittel kann zudem die Einlaufverrohrung des Wärmeübertragers auch von oben erfolgen. Durch Pumpen und/oder Regelventile kann der Kälteträgerzufluss zu dem Wärmeübertrager gesteuert und geregelt werden, um eine ausreichende Kühlleistung zu garantieren. Anders als bei der direkten Kühlung mit einem Kältemittel liegt der Kälteträger in der ersten bzw. zweiten Vorlaufleitung gemäß der alternativen Weiterbildung mit unterschiedlichen Temperaturen vor.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung eines Gär- und/oder Lagertanks weiterhin eine Steuer- oder Regelvorrichtung umfassen, wobei die Steuer- oder Regelvorrichtung zumindest eine Sonde zum Bestimmen der Temperatur des Gär- und/oder Lagertanks umfasst und dazu ausgebildet ist, die Zufuhr des Kühlmittels von der Kälteanlage zu dem Wärmeübertrager auf der Basis der bestimmten Temperatur des Gär- und/oder Lagertanks zu steuern oder zu regeln.
Die zumindest eine Sonde kann dabei die Temperatur des Gär- und/oder Lagertanks und/oder die Temperatur des darin enthaltenen flüssigen Lebensmittels, z. B. Bieres, an mindestens einer Stelle bestimmen. Die Temperaturbestimmung erfolgt dabei mit einer der üblichen Temperaturmessmethoden und der entsprechenden Temperatursonde (zum Beispiel Pt 100). Der Wärmeübertrager und der Gär- und/oder Lagertank verfügen demnach neben den üblichen Standardarmaturen über Absperr- und Dosierventile, insbesondere Expansionsventile am Eintritt der Kühltaschen im Falle der direkten Kühlung mit einem Kältemittel, durch welche auf der Basis der bestimmten Temperatur des Gär- und/oder Lagertanks die Zufuhr des Kühlmittels von der Kälteanlage zu dem Wärmeübertrager geregelt werden kann. Im Falle der direkten Kühlung mit einem Kältemittel kann insbesondere die Menge des eingespritzten Kältemittels geregelt werden, um eine benötigte Kälteleistung zu garantieren. Bei Verwendung der indirekten Kühlung mit einem Kälteträger kann äquivalent der Durchfluss des flüssigen Kälteträgers durch den Wärmeübertrager so geregelt werden, dass eine Temperatur des Gär- und/oder Lagertanks konstant gehalten bzw. mit einer vorgegebenen Rate abgesenkt werden kann. Bei Verwendung eines zu verdampfenden Kältemittels muss überdies darauf geachtet werden, dass die Einspritzung des Kältemittels in den Wärmeübertrager so geregelt wird, dass sich im Rücklauf vorzugsweise gasförmiges Kältemittel befindet. Die genaue Menge des einzuspritzenden Kältemittels kann dabei während der Inbetriebnahme des Systems berechnet und über eine Steuerung/Regelung eingestellt und gewährleistet werden. Als Dosierventile können übliche Nadelventile an den Vorlaufleitungen der Kühltaschen des Tanks verwendet werden. Wie oben beschrieben kann die Regelung der Zufuhr des Kühlmittels auch unter Berücksichtigung der Temperatur des aus dem Wärmeübertrager austretenden Kühlmittels erfolgen. Bei Verwendung eines Kältemittels als Kühlmittel kann insbesondere am Austritt des Verdampfers ein Kapillarfühler an die Rohrleitung angelegt werden und der Hub des Einspritzventils und damit der Einspritzmassenstrom über den Druck der eingeschlossenen Kapillarflüssigkeit geregelt werden. Als Regelgröße kann dabei die Überhitzung des austretenden Kältemittels genutzt werden. Zur Regelung können thermostatische Expansionsventile wie auch elektronische Expansionsventile verwendet werden. Alternativ können automatische Schwimmerventile als Hochdruckschwimmerregler auf der Hochdruckseite (Kondensatorseite) oder als Niederdruckschwimmerregler auf der Niederdruckseite (Verdampferseite) verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist die Kühlfläche des Wärmeübertragers ausreichend groß dimensioniert, um während einer Phase des Herunterkühlens den Gär- und/oder Lagertank von einer Ausgangstemperatur auf eine Zieltemperatur in einem vorbestimmten Zeitraum abzukühlen.
Generell wird die Kühlleistung der Kühltaschen bzw. des Wärmeübertragers am Gär- und/oder Lagertank unter anderem durch den Wärmedurchgangskoeffizienten, die Kühlfläche und die Temperaturdifferenz zwischen dem Produkt, d. h. dem zu kühlenden Lebensmittel, und dem Kühlmittel definiert. Hierbei kann der Wärmedurchgangskoeffizient, welcher die Leistung angibt, die durch eine Fläche von einem Quadratmeter bei Unterschied der beidseitig anliegenden Temperaturen von einem Kelvin fließt, als konstant angesehen werden, da sich während der unterschiedlichen Prozessschritte, d. h. Gärphase und Abkühlphase, die Materialdicken und Wärmeleitfähigkeiten nicht ändern.
Bei der Auslegung der Kühlflächen am Tank wird in der Regel der Prozessschritt des Herunterkühlens betrachtet, da hier in einem relativ kurzen Zeitraum, z. B. bei 1 K pro Stunde, eine bestimmte Wärmemenge abgeführt werden muss. Aus diesem Grund wird die Kühlfläche am Tank im Normalfall so groß dimensioniert, dass auch die Gärwärme während der ersten Phase (Gärphase) bei einer höheren Kältemitteltemperatur, d. h. über eine kleinere Temperaturdifferenz zwischen Produkt (z. B. Jungbier) und Kältemittel, abgeführt werden kann. In Abhängigkeit von der vom Betreiber vorgegebenen Zeit für den Schritt des Herunterkühlens ist somit im Allgemeinen eine Minimalgröße der Kühlfläche durch die dabei benötigte Kälteleistung vorgegeben. Die Kühlleistung kann hierbei nach den bekannten Formeln berechnet werden (siehe unten). Insbesondere kann die während der Gärphase eingesetzte erste Temperatur des Kühlmittels derart gewählt werden, dass die durch die Kühlfläche und die Temperaturdifferenz zwischen Gärtemperatur und Kühlmittel bestimmte Kälteleistung des Wärmeübertragers exakt gleich oder mit einer vorgegebenen Sicherheitsmarge größer als die zum Konstant-Halten der jeweiligen geforderten Gärtemperatur benötigte Kühlleistung ist. Somit kann durch optimale Wahl der ersten Temperatur und des entsprechenden Kompressors eine Optimierung der Energieeinsparung erreicht werden.
Die oben genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur mehrphasigen Kühlung eines Gär- und/oder Lagertanks gelöst, das die Schritte umfasst:
Liefern eines Kühlmittels mit einer ersten Temperatur von einem ersten Temperaturzweig zumindest einer Kälteanlage zu zumindest einem Wärmeübertrager, der dazu ausgebildet ist, Wärme von dem Gär- und/oder Lagertank auf das Kühlmittel zu übertragen, während einer ersten Kühlphase, insbesondere einer Gärphase, und
Liefern des Kühlmittels mit einer zweiten, von der ersten Temperatur verschiedenen Temperatur von einem zweiten Temperaturzweig der Kälteanlage zu demselben Wärmeübertrager während einer zweiten Kühlphase, insbesondere einer Phase des Herunterkühlens,
wobei die erste Temperatur des Kühlmittels über das Druckverhältnis eines ersten Kompressors in dem ersten Temperaturzweig der Kälteanlage bestimmt wird, und
wobei die zweite Temperatur des Kühlmittels über das Druckverhältnis eines zweiten Kompressors in dem zweiten Temperaturzweig der Kälteanlage bestimmt wird.
Dabei können dieselben Variationen und Weiterbildungen, die oben im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung beschrieben wurden, auch auf das Verfahren zur mehrphasigen Kühlung angewendet werden. Insbesondere kann es sich bei der Kälteanlage um eine Kompressionskältemaschine zur direkten Kühlung des Gär- und/oder Lagertanks oder um eine Kompressionskältemaschine in Kopplung mit einem Kühlkreislauf eines Kälteträgers handeln, wobei die Kühlung des in dem Wärmeübertrager erwärmten Kälteträgers über einen oder mehrere Verdampfer geschieht, welche Teil des ersten bzw. des zweiten Temperaturzweiges sind. Wie oben beschrieben, wird auch beim erfindungsgemäßen Verfahren die erste bzw. zweite Temperatur des Kühlmittels über das Verhältnis von Enddruck zu Saugdruck des jeweiligen Kompressors in dem ersten bzw. zweiten Temperaturzweig bestimmt.
Es versteht sich von selbst, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch auf mehrere Gär- und/oder Lagertanks einer Tankfarm angewendet werden kann. Insbesondere können sich die einzelnen Gär- und/oder Lagertanks der Tankfarm dabei in unterschiedlichen Phasen oder Teilphasen befinden. So kann ein erster Gär- und/oder Lagertank bereits in der Phase des Herunterkühlens betrieben werden, während ein zweiter Gär- und/oder Lagertank noch in der Gärphase befindlich ist. Insbesondere kann gemäß der vorliegenden Erfindung dieselbe Kälteanlage zum Betrieb einer Tankfarm mit Gär- und/oder Lagertanks in unterschiedlichen Phasen verwendet werden, wenn durch gleichzeitigen Betrieb des ersten und zweiten Kompressors und durch Verbinden des jeweiligen Gär- und/oder Lagertanks mit dem jeweiligen Temperaturzweig, zum Beispiel über Einstellen entsprechender Umschalt- und Regelventile, gleichzeitig Kühlmittel mit der ersten Temperatur bzw. mit der zweiten Temperatur zu dem jeweiligen Gär- und/oder Lagertank geliefert wird.
Gemäß einer Weiterbildung kann der Wärmeübertrager wie oben beschrieben eine Kühltasche, insbesondere eine Pillow Plate Kühltasche umfassen.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung umfasst das Verfahren zur mehrphasigen Kühlung weiterhin:
Rückführen des Kühlmittels nach Durchgang durch den Wärmeübertrager zu dem ersten Temperaturzweig der Kälteanlage während der ersten Kühlphase, und
Rückführen des Kühlmittels nach Durchgang durch den Wärmeübertrager zu dem zweiten Temperaturzweig der Kälteanlage während der zweiten Kühlphase,
wobei das Rückführen des Kühlmittels zu dem ersten Temperaturzweig während der ersten Kühlphase über eine erste Umschaltvorrichtung und eine erste Rücklaufleitung geschieht und das Rückführen des Kühlmittels zu dem zweiten Temperaturzweig während der zweiten Kühlphase über die erste Umschaltvorrichtung und eine zweite Rückführleitung geschieht.
Wie bereits oben beschrieben kann dabei die erste Umschaltvorrichtung unmittelbar am Auslauf des Wärmeübertragers angebracht werden. Alternativ kann die erste Umschaltvorrichtung auch im Bereich der Kälteanlage angebracht werden. Bei direkter Kühlung mit einem Kältemittel kann dabei das Kühlmittel über die entsprechende Rücklaufleitung auch über einen Abscheider zu dem jeweiligen Kompressor des jeweiligen Temperaturzweiges geliefert werden. Bei indirekter Kühlung unter Verwendung eines Kälteträgers als Kühlmittel kann hingegen das Kühlmittel über die jeweilige Rücklaufleitung zu einem entsprechenden Verdampfer geliefert werden, über welchen es Wärme mit dem Kältemittel im jeweiligen Temperaturzweig austauscht. Dabei kann die Zufuhr des zu verdampfenden Kältemittels an den Verdampfer des ersten Temperaturzweigs bzw. den Verdampfer des zweiten Temperaturzweigs so geregelt werden, dass der von der ersten bzw. zweiten Rücklaufleitung zum jeweiligen Verdampfer gelieferte Kälteträger auf die entsprechende erste bzw. zweite Temperatur heruntergekühlt wird.
Gemäß einer Weiterbildung kann das Kühlmittel ein Kältemittel, insbesondere Ammoniak umfassen, wobei das Liefern des Kühlmittels mit der ersten und der zweiten Temperatur über genau eine Vorlaufleitung erfolgt und weiterhin das Einspritzen des Kühlmittels von unten in den Wärmeübertrager umfasst. Wie oben beschrieben kann bei Verwendung eines Kältemittels als Kühlmittel auf eine zweite Vorlaufleitung verzichtet werden und somit Investitionskosten reduziert werden. Zudem garantiert das Einspritzen des zu verdampfenden Kühlmittels von unten in den Wärmeübertrager, insbesondere in eine Kühltasche, das vollständige Verdampfen des Kühlmittels, so dass Nachverdampfen des Kühlmittels in den Rücklaufleitungen vermieden werden kann.
In einer Weiterbildung kann das Kühlmittel nach Durchgang durch den Wärmeübertrager in gasförmigem Aggregatzustand vorliegen. Falls das Kühlmittel neben dem Kältemittel weiterhin ein Schmiermittel, insbesondere Öl, umfasst, kann das Einspritzen des Kühlmittels in den Wärmeübertrager derart geregelt werden, dass der überhitzte Dampf des Kältemittels beim Austritt aus dem Wärmeübertrager das Schmiermittel in Tröpfchenform mitreißt, so dass eine ausreichende Schmierung der Kompressoren garantiert werden kann.
Gemäß einer alternativen Weiterbildung kann das Kühlmittel einen Kälteträger, insbesondere Glykol, umfassen, wobei das Liefern des Kühlmittels von dem ersten Temperaturzweig zu dem Wärmeübertrager über eine erste Vorlaufleitung und eine zweite Umschaltvorrichtung erfolgt, und das Liefern des Kühlmittels von dem zweiten Temperaturzweig zu dem Wärmeübertrager über eine zweite Vorlaufleitung und die zweite Umschaltvorrichtung erfolgt.
Dabei kann in einer Weiterbildung die zweite Umschaltvorrichtung unmittelbar am Einlauf des Wärmeübertragers angebracht werden, um die Länge der gemeinsam für beide Temperaturen genutzten Rohrleitungen möglichst kurz zu halten. Dadurch lässt sich insbesondere ein rasches Umschalten von einer Phase auf die andere Phase durch Änderung der Stellung der ersten und der zweiten Umschaltvorrichtung erreichen. Alternativ kann die zweite Umschaltvorrichtung auch im Bereich der Kälteanlage angebracht werden. Bei der indirekten Kühlung verbinden somit die erste Rücklaufleitung und die zweite Rücklaufleitung über jeweils einen Verdampfer des ersten bzw. zweiten Temperaturzweigs und über die erste bzw. zweite Vorlaufleitung die erste mit der zweiten Umschaltvorrichtung. Die resultierenden parallelen Leitungssysteme dienen dabei der Übertragung der Temperatur aus dem ersten bzw. zweiten Temperaturzweig auf den Kälteträgerkreislauf und schlussendlich auf den Wärmeübertrager.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung kann das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin das Steuern oder Regeln der Zufuhr des Kühlmittels von der Kälteanlage zu dem Wärmeübertrager auf der Basis einer Temperatur des Gär- und/oder Lagertanks umfassen, wobei die Temperatur des Gär- und/oder Lagertanks mit Hilfe zumindest einer Temperatursonde bestimmt wird. Die weiter oben im Zusammenhang mit der Kühlvorrichtung beschriebenen Varianten und Ausführungsformen der Regelung finden auch hier Anwendung. Insbesondere kann mit Hilfe zumindest einer im Stand der Technik bekannten Temperatursonde an zumindest einer Stelle die Temperatur des Gär- und/oder Lagertanks bzw. des darin enthaltenen Produkts, d. h. des zu vergärenden Lebensmittels, bestimmt werden. Des Weiteren kann die Menge des in den Wärmeübertrager eingespritzten Kältemittels bei direkter Kühlung derart geregelt werden, dass ein Nachverdampfen des Kältemittels in den Rücklaufleitungen vermieden werden kann.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist die erste Kühlphase eine Gärphase eines herzustellenden Bieres und die zweite Kühlphase eine Phase des Herunterkühlens, worin das herzustellende Bier von einer Ausgangstemperatur in einer vorbestimmten Zeit auf eine Zieltemperatur abgekühlt wird, und wobei die Kühlfläche des Wärmeübertragers eine für die zweite Kühlphase geeignete Fläche umfasst. Wie oben beschrieben kann aus den Vorgaben der Ausgangstemperatur, der Zieltemperatur, und der vom Betreiber gewünschten Abkühlzeit auf der Basis des Wärmedurchgangskoeffizienten des Wärmeübertragers eine minimale Kühlfläche berechnet werden, um die benötigte Kühlleistung zu garantieren. Ebenso kann die erste, höhere Temperatur des Kühlmittels während der Gärphase derart erhöht werden, dass die so errechnete Kühlfläche gerade die benötigte Kühlleistung garantiert, um die Temperatur des herzustellenden Bieres im Gär- und/oder Lagertank während der Gärphase konstant zu halten.
Die oben beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren sind jedoch nicht auf die Bierherstellung beschränkt, sondern können allgemein bei der Herstellung vergorener flüssiger Lebensmittel angewendet werden, wenn z. B. auf eine Gärphase mit vorgegebener benötigter Kühlleistung eine weitere Phase, z. B. eine Abkühlphase, mit einer davon verschiedenen benötigten Kühlleistung folgt. Insbesondere können die beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren auch bei der Herstellung von Wein, Cidre und anderen vergorenen Fruchtsäften verwendet werden.
Anstelle der einstufigen Phase des Herunterkühlens von einer Ausgangstemperatur auf eine Zieltemperatur unter Verwendung des Kühlmittels mit einer zweiten Temperatur kann alternativ die Phase des Herunterkühlens auch in mehrere Unterphasen aufgeteilt werden. So kann zum Beispiel in einer ersten Phase des Herunterkühlens eine Abkühlung des Produkts von der Ausgangstemperatur auf eine Zwischentemperatur unter Verwendung des Kühlmittels mit einer Temperatur, welche unter der Zwischentemperatur aber über der Zieltemperatur liegt, insbesondere mit der ersten, während der Gärphase verwendeten Temperatur stattfinden. Somit kann während der ersten Phase des Herunterkühlens Kühlmittel von dem ersten Temperaturzweig mit der ersten Temperatur zu dem Wärmeübertrager geliefert werden, um das Produkt nach Abschluss der Hauptgärung auf eine Zwischentemperatur abzukühlen. Während einer zweiten Phase des Herunterkühlens kann das Produkt, z. B. das herzustellende Bier, schließlich von der Zwischentemperatur auf die Zieltemperatur mit Hilfe des Kühlmittels mit der zweiten Temperatur abgekühlt werden. Dabei kann sich die Abkühlzeit ggf. geringfügig verlängern, während auf der anderen Seite aber zusätzliche elektrische Energie im Bereich der Kälteanlage eingespart werden kann.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin die Verallgemeinerung der beschriebenen Vorrichtung und des beschriebenen Verfahrens auf drei oder mehr Temperaturzweige mit den dazugehörigen optimierten Kompressoren sowie das Liefern von Kühlmittel von den drei oder mehreren Temperaturzweigen mit drei oder mehreren Temperaturen zu dem Wärmeübertrager. Entsprechend lassen sich erfindungsgemäß unterschiedlichste Kombinationen von Kühlphasen realisieren.
Weitere Merkmale und beispielhafte Ausführungsformen sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich, dass die Ausführungsformen nicht den Bereich der vorliegenden Erfindung erschöpfen. Es versteht sich weiterhin, dass einige oder sämtliche der im Weiteren beschriebenen Merkmale auch auf andere Weise miteinander kombiniert werden können.
1 stellt eine Prinzipskizze für ein Beispiel einer Kühlvorrichtung zur Kühlung eines Gär- und/oder Lagertanks gemäß der vorliegenden Erfindung für den Fall einer direkten Kühlung dar.
2 stellt eine Prinzipskizze für ein Beispiel einer Kühlvorrichtung eines Gär- und/oder Lagertanks gemäß der vorliegenden Erfindung für den Fall einer indirekten Kühlung dar.
Wie bereits oben beschrieben, ist generell der Prozess der Bierherstellung in zwei Phasen unterteilt. In einer ersten Phase (Gärphase) wird das Jungbier in Abhängigkeit von der Herstellungsmethode des Betreibers bei beispielsweise maximal +20 °C vergoren. Während dieses Gärprozesses entsteht aus Zucker Alkohol, CO₂ und Wärme. Diese Wärme muss während der Gärzeit (ca. drei bis zwölf Tage, je nach Gärverfahren) abgeführt werden, so dass die Gärtemperatur von beispielsweise +20 °C konstant gehalten werden kann.
Dies geschieht bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kühlung des Gär- und/oder Lagertanks über eine erste, höhere Kühlmitteltemperatur, z. B. mit einem +5 °C Temperaturzweig der Kälteanlage. Nach Abschluss dieser ersten Gärphase kommt es zu einer zweiten Phase, der Phase des Herunterkühlens.
Da das Herunterkühlen des Tanks von der Gärtemperatur (z. B. +20 °C) auf beispielsweise –2 °C im Normalfall aufgrund von Vorgaben des Betreibers innerhalb einer definierten Zeit zu erfolgen hat (beispielsweise 1 K pro Stunde), wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung für das Herunterkühlen eine zweite und kältere Kühlmitteltemperatur und ein zweiter Temperaturzweig der Kälteanlage genutzt (z. B. –4,5 °C). Hierzu wird, insbesondere über ein Drei-Wege-Umschaltventil, bei Übergang zur zweiten Phase auf den –4,5 °C Kreislauf umgestellt.
Sofern keine zeitliche Beschränkung beim Herunterkühlen besteht und/oder die Zeitdauer des Herunterkühlen lange genug bemessen wird, ist es auch möglich, die Phase des Herunterkühlens in wiederum zwei Phasen zu unterteilen:
Phase 1 des Herunterkühlens mit der ersten Kühlmitteltemperatur (z. B. +5 °C) bis zu einer Temperaturdifferenz zwischen Gär- und/oder Lagertank und Kühlmittel von beispielsweise 5 K.
Phase 2 des Herunterkühlens mit der zweiten Kühlmitteltemperatur (z. B. –4,5 °C) bis zum Erreichen der gewünschten Temperatur, d. h. Lagertemperatur (z. B. –2 °C).
Hierbei kann sich die Abkühlzeit ggf. geringfügig verlängern, während auf der anderen Seite aber zusätzliche elektrische Energie im Bereich der Kälteanlage eingespart werden kann.
Im Folgenden werden zwei beispielhafte Ausführungen der vorliegenden Erfindung beschrieben:
In 1 ist eine Prinzipskizze für ein Beispiel einer Vorrichtung zur Kühlung eines Gär-und/oder Lagertanks gemäß der vorliegenden Erfindung für den Fall einer direkten Kühlung mit Hilfe eines Kältemittels, z. B. Ammoniak, dargestellt. Auf der Außenseite des zylindrokonischen Gär- und/oder Lagertanks 10 sind beispielhaft mehrere Kühltaschen als Wärmeübertrager, sowohl im Bereich des Konus (Kühltasche 30) als auch im Bereich der Zarge (Kühltasche 35) angebracht. Von einer Kälteanlage 20 wird das Kältemittel über eine einzige Vorlaufleitung 50 und Regelventile 70 den jeweiligen Kühltaschen zugeführt. Dabei wird mit Hilfe der Regelventile 70, z. B. in Form von Expansionsventilen, die Menge des in die Kühltaschen eingespritzten Kältemittels geregelt. Die hier dargestellten Rohrleitungen sind zur klareren Darstellung lediglich skizzenhaft dargestellt. Insbesondere können sich die Expansionsventile 70 unmittelbar am Einlauf der entsprechenden Kühltaschen 30 und 35 befinden.
Vom Austritt der Kühltaschen 30 und 35 aus wird über eine Rücklaufleitung das nunmehr vorwiegend dampfförmige Kältemittel zu einem ersten Drei-Wege-Umschaltventil 40 geliefert. Je nach Stellung des Drei-Wege-Umschaltventils 40 wird dabei das dampfförmige Kältemittel über eine erste Rücklaufleitung 41 oder über eine zweite Rücklaufleitung 42 der Kälteanlage 20 wieder zugeführt. Nicht dargestellt sind die oben beschriebenen ersten und zweiten Temperaturzweige der Kälteanlage mit dem jeweils ersten und zweiten Kompressor.
Beim Betrieb der dargestellten Kühlvorrichtung kann somit zum Beispiel während der Gärphase das Drei-Wege-Umschaltventil 40 so eingestellt sein, dass die Kälteanlage 20, die Vorlaufleitung 50, die Wärmeübertrager 30 und 35 und die Rücklaufleitung 41 einen Kühlmittelkreislauf mit einer ersten Kühlmitteltemperatur (z. B. +5 °C) bildet. Bei Übergang in die zweite Phase, d. h. in die Abkühlphase, wird das Drei-Wege-Umschaltventil 40 so umgestellt, dass nunmehr die Kälteanlage 20 mit der Vorlaufleitung 50, den Kühltaschen 30 und 35 und der zweiten Rücklaufleitung 42 einen zweiten Kühlmittelkreislauf mit einer zweiten, niedrigeren Kühlmitteltemperatur (beispielsweise –4,5 °C) bildet. Somit kann die dargestellte Kühlvorrichtung je nach Kälteleistungsbedarf flexibel mit einem dafür geeigneten entsprechenden Druck in den Rücklaufleitungen und dem entsprechenden, dem benötigen Druckverhältnis angepassten Kompressor der Kälteanlage betrieben werden. Dabei ergeben sich im Vergleich zu herkömmlichen Kälteanlagen mit nur einem Kompressor und einer fest vorgegebenen, beispielsweise an der Abkühlphase orientierten Kühlmitteltemperatur Energieeinsparungen in der Größenordnung von ca. 10 % bis 20 % (siehe unten).
2 stellt eine Prinzipskizze für ein Beispiel einer Vorrichtung zur Kühlung eines Gär-und/oder Lagertanks gemäß der vorliegenden Erfindung für den Fall einer indirekten Kühlung mit Hilfe eines Kälteträgers, z. B. Glykol, dar. Gleiche Symbole und Referenzzeichen bezeichnen hierbei die der 1 entsprechenden Komponenten, deren Beschreibung hier nicht wiederholt wird. Im Unterschied zur Direktkühlung der 1 umfasst die dargestellte Kühlvorrichtung nunmehr zusätzlich ein zweites Drei-Wege-Umschaltventil 60 und statt einer einzigen Vorlaufleitung eine erste Vorlaufleitung 61 und eine zweite Vorlaufleitung 62.
Nicht dargestellt sind der erste und der zweite Temperaturzweig der Kälteanlage für die erste bzw. zweite Temperatur des Kühlmittels. Während in der 1 bei Nutzung der Direktverdampfung des Kältemittels das Kältemittel in der Rücklaufleitung im Wesentlichen dampfförmig vorliegt, durchströmt der in 2 verwendete Kälteträger den gesamten Kreislauf aus Vorlaufleitungen, Wärmeübertrager 30 und 35, Rücklaufleitungen und Verdampfer der Kälteanlage 20 in flüssiger Form. Der in den Wärmeübertragern 30 und 35 erwärmte Kälteträger wird über die erste Rücklaufleitung 41 bzw. die zweite Rücklaufleitung 42 zu einem ersten bzw. zweiten Verdampfer der Kälteanlage 20 (nicht dargestellt) zurückgeführt, wo er auf die erste bzw. zweite Kühlmitteltemperatur abgekühlt wird, und von dort über die erste Vorlaufleitung 61 bzw. über die zweite Vorlaufleitung 62 und das zweite Drei-Wege-Umschaltventil den Wärmeübertragern 30 und 35 wieder zugeführt. Der erste bzw. zweite Verdampfer der Kälteanlage 20 ist dabei Teil eines ersten bzw. zweiten Temperaturkreislaufs einer ersten bzw. zweiten Kompressionskältemaschine welche jeweils einen Kompressor umfasst. Durch unterschiedliche Kompressionsdrücke der entsprechenden Kompressoren werden in dem ersten bzw. zweiten Verdampfer unterschiedliche Verdampfertemperaturen realisiert, welche die unterschiedlichen Temperaturen des Kälteträgers während der Gärphase und der Phase des Herunterkühlens bestimmen. Das in der Kälteanlage 20 verwendete Kältemittel kann dabei insbesondere Ammoniak sein.
Somit umfasst der erste Temperaturzweig der Kälteanlage 20 den Kreislauf einer Kompressionskältemaschine mit einer ersten Temperatur sowie Verbindungsleitungen, welche den Kälteträger von der ersten Rücklaufleitung 41 über den entsprechenden Verdampfer zu der ersten Vorlaufleitung 61 liefern. Des Weiteren umfasst der zweite Temperaturzweig der Kälteanlage 20 entsprechend einen weiteren Kältemittelkreislauf einer Kompressionskältemaschine mit einer zweiten, von der ersten Temperatur verschiedenen Temperatur sowie Verbindungsleitungen, welche den Kälteträger von der zweiten Rücklaufleitung 42 über den entsprechenden Verdampfer der weiteren Kompressionskältemaschine zu der zweiten Vorlaufleitung 62 liefern. Dabei liegen die Verdampfertemperaturen der ersten bzw. zweiten Kompressionskältemaschine der Kälteanlage 20 im Allgemeinen niedriger als die erste bzw. zweite Temperatur des Kälteträgers, die zur Kühlung des Gär- und/oder Lagertanks während der Gärphase bzw. der Phase des Herunterkühlens eingesetzt werden.
Wie oben beschrieben wird die Kühlleistung der Kühltaschen am Tank bzw. des Wärmeübertragers unter anderem durch den Wärmedurchgangskoeffizienten, die Kühlfläche und die Temperatur zwischen dem Produkt (z. B. Jungbier) und dem Kühlmittel definiert. Insbesondere kann man die in der Zeit ∆t ausgetauschte Wärmemenge wie folgt abschätzen: Q = k × A × ∆T Formel 1 wobei 1/k = 1/α₁ + s₁/λ₁ + 1/α₂ Formel 2
Dabei bezeichnet Q die übertragene Wärmemenge, k den Wärmedurchgangskoeffizient, A die Kühlfläche und ∆T die Temperaturdifferenz zwischen z. B. Jungbier und Kältemittel. Der Wärmedurchgangskoeffizient ergibt sich dabei über die Formel 2 aus den Wärmeübergangskoeffizienten α₁ (Kühlmittel oder Kälteträger gegenüber Tankwand) und α₂ (Tankwand gegenüber zu kühlendem Produkt), der Materialdicke s₁ der Tankwand, d. h. der Dicke zwischen Kühlzone und zu kühlendem Produkt (z. B. Jungbier), und der Wärmeleitfähigkeit λ₁. Der Wärmedurchgangskoeffizient k ist somit durch die Vorgaben der Tankgestaltung und der Wahl des Wärmeübertragers fest vorgegeben. Bei konstanter Kühlfläche A ergibt sich daher für eine geringere Temperaturdifferenz ∆T zwischen Tank und Kühlmittel eine entsprechend längere Kühlzeit ∆t. Soll die Kühlzeit ∆t eine vom Betreiber für die Phase des Herunterkühlens des Gär- und/oder Lagertanks vorgegebene Zeit nicht überschreiten, so muss die Kühlfläche A entsprechend groß gewählt werden. Dies ist insbesondere dann relevant, wenn die Phase des Herunterkühlens wiederum in zwei Teilphasen unterteilt wird, wobei während der ersten Teilphase das Kühlmittel mit der höheren ersten Temperatur eingesetzt wird. Insgesamt lässt sich über die Formel 1 die benötigte Kühlfläche aus den Anforderungen an die Kühlleistung Q/∆t während der Gärphase und der Phase des Herunterkühlens bestimmen.
Aufgrund der Nutzung der höheren Kühlmitteltemperatur von z. B. +5 °C während der Gärphase und/oder im ersten Kühlschritt der Phase des Herunterkühlens sinkt der elektrische Energiebedarf für die Verdichtung und Verflüssigung des Kältemittels in der Kälteanlage im Vergleich zur Nutzung des z. B. –4,5 °C Kreislaufes für einen vergleichbaren Temperaturhalte- und/oder Kühlvorgang im betrachteten Temperaturbereich im Tank.

Anhand zweier Beispiele soll im Folgenden die Einsparung an elektrischer Energie im Vergleich zur konventionellen einstufigen Kühlung belegt werden. Tabelle 1: Beispiel einzelner Tank/Verbraucher

	kW	COP
Konventionelle 1-stufige Kühlung
Kälteanlage –4,5 °C/34 °C
Kälteleistung	24,00
Kompressor, elektrische Leistung	4,80
		5,05
Neue 2-stufige Kühlung
Kälteanlage +5 °C/34 °C
Kälteleistung	13,00
Kompressor, elektrische Leistung	1,80
		7,25
Kälteanlage –4,5 °C/34 °C
Kälteleistung	11,00
Kompressor, elektrische Leistung	2,20
		5,05
Summe Kompressor elektrische Leistung	4,00

Ersparnis	16 %

In dem in Tabelle 1 dargestellten Beispiel für einen einzelnen Gär- und/oder Lagertank bzw. Verbraucher werden exemplarisch Kälteleistungen und elektrische Leistungen der verwendeten Kompressoren der erfindungsgemäßen neuen zweistufigen Kühlung der konventionellen einstufigen Kühlung gegenüber gestellt. Bei der konventionellen einstufigen Kühlung wird die Kälteanlage mit einer Verdampfertemperatur von –4,5 °C und einer Kondensatortemperatur von 34 °C betrieben, wobei insgesamt eine Kälteleistung von 24 kW benötigt wird. Der dabei verwendete einzige Kompressor hat eine Arbeitszahl (COP – Coefficient of Performance) von 5,05 und benötigt eine elektrische Leistung von 4,8 kW. Bei dem diesem Beispiel zugrunde gelegten Verfahren handelt es sich um ein Eintankverfahren von High Gravity Bier mit einer Gärtemperatur von +20 °C und einer Lagertemperatur von –2 °C.

Im Gegensatz zur konventionellen einstufigen Kühlung weist die neue zweistufige Kühlung gemäß der vorliegenden Erfindung einen ersten Temperaturzweig mit einem ersten Kompressor mit einer Arbeitszahl COP von 7,25 und einen zweiten Temperaturzweig mit einem zweiten Kompressor mit einer Arbeitszahl COP von 5,05 auf. Da während der Gärphase gemäß der Erfindung der erste Temperaturzweig mit einer höheren Verdampfertemperatur von +5 °C arbeitet, was einer niedrigeren Temperaturdifferenz zwischen Verdampfertemperatur und Kondensatortemperatur entspricht, kann zur Erzeugung des entsprechenden Druckverhältnisses ein effizienterer Kompressor mit einer entsprechend höheren Arbeitszahl von 7,25 eingesetzt werden. Die benötigte Kälteleistung für die Gärphase liegt hierbei bei 13 kW. Während der Phase des Herunterkühlens wird hingegen ein herkömmlicher Kompressor mit einer Arbeitszahl von 5,05 zum Erreichen einer Verdampfertemperatur von –4,5 °C wie bei der konventionellen Kühlung eingesetzt. Hierbei wird eine Kälteleistung von 11 kW benötigt. Addiert man die benötigten elektrischen Leistungen des ersten Kompressors von 1,8 kW und des zweiten Kompressors von 2,2 kW, so ergibt sich gegenüber der bei der konventionellen einstufigen Kühlung benötigten elektrischen Leistung eine Einsparung von ca. 16 %. Tabelle 2: Beispiel Tankfarm (mehrere Tanks/Verbraucher)

	kW	COP
Konventionelle 1-stufige Kühlung
Kälteanlage –4,5 °C/34 °C
Kälteleistung	39,35
Kompressor, elektrische Leistung	7,80
		5,05
Neue 2-stufige Kühlung
Kälteanlage +5 °C/34 °C
Kälteleistung	30,09
Kompressor, elektrische Leistung	4,20
		7,25
Kälteanlage –4,5 °C/34 °C
Kälteleistung	9,26
Kompressor, elektrische Leistung	1,80
		5,05
Summe Kompressor elektrische Leistung	6,00

Ersparnis	23 %

Diese Energieeinsparung lässt sich weiter erhöhen, wenn statt eines einzelnen Gär- und/oder Lagertanks eine Tankfarm mit mehreren Tanks verwendet wird, so wie es bei industriellen Brauereien üblich ist. Da in einer Tankfarm im Allgemeinen verschiedene Tanks gleichzeitig in verschiedenen Phasen betrieben werden, kann im Unterschied zu einem einzelnen Gär- und/oder Lagertank bei einer Tankfarm ein kontinuierlicher Betrieb beider Kompressoren realisiert werden. Dadurch erhöht sich die Ersparnis an elektrischer Leistung im Vergleich zur konventionellen einstufigen Kühlung auf beispielsweise 23 %. Somit ergibt sich durch Einsatz der Erfindung bei der Kühlung eines Gär- und/oder Lagertanks eine erhebliche Einsparung an elektrischer Energie, wobei zu berücksichtigen ist, dass die Kälteanlage im Allgemeinen den größten Verbraucher an elektrischer Energie in modernen Brauereien darstellt.

Claims

Vorrichtung zur Kühlung eines Gär- und/oder Lagertanks (10), umfassend: zumindest einen Wärmeübertrager (30, 35), der dazu ausgebildet ist, Wärme von dem Gär- und/oder Lagertank (10) auf ein Kühlmittel zu übertragen, zumindest eine mit dem Wärmeübertrager (30, 35) verschaltete Kälteanlage (20), wobei die Kälteanlage (20) einen ersten Temperaturzweig mit einem ersten Kompressor und einen zweiten Temperaturzweig mit einem zweiten Kompressor umfasst, und wobei die Kälteanlage (20) mit dem Wärmeübertrager (30, 35) derart verschaltet ist, dass das Kühlmittel wahlweise nacheinander mit einer ersten Temperatur von dem ersten Temperaturzweig zu dem Wärmeübertrager (30, 35) und mit einer zweiten, von der ersten Temperatur verschiedenen Temperatur von dem zweiten Temperaturzweig zu demselben Wärmeübertrager (30, 35) lieferbar ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, in der der Wärmeübertrager (30, 35) eine Kühltasche, insbesondere eine Pillow Plate Kühltasche umfasst.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, weiterhin eine Rückführeinrichtung umfassend, die dazu ausgebildet ist, einen Strom des Kühlmittels von dem Wärmeübertrager (30, 35) zu der Kälteanlage (20) zu liefern, wobei die Rückführeinrichtung eine erste Umschaltvorrichtung (40) sowie eine erste Rücklaufleitung (41) und eine zweite Rücklaufleitung (42) umfasst, wobei die erste Rücklaufleitung (41) dazu ausgebildet ist, einen Strom des Kühlmittels von der ersten Umschaltvorrichtung (40) zu dem ersten Temperaturzweig zu liefern, und wobei die zweite Rücklaufleitung (42) dazu ausgebildet ist, einen Strom des Kühlmittels von der ersten Umschaltvorrichtung (40) zu dem zweiten Temperaturzweig zu liefern.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin eine Zuführeinrichtung umfassend, die dazu ausgebildet ist, einen Strom des Kühlmittels von der Kälteanlage (20) zu dem Wärmeübertrager (30, 35) zu liefern, wobei das Kühlmittel ein Kältemittel, insbesondere Ammoniak, umfasst, und wobei die Zuführeinrichtung lediglich eine Vorlaufleitung (50) umfasst, welche mit dem Wärmeübertrager (30, 35) von unten verbunden ist.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin eine Zuführeinrichtung umfassend, die dazu ausgebildet ist, einen Strom des Kühlmittels von der Kälteanlage (20) zu dem Wärmeübertrager (30, 35) zu liefern, wobei das Kühlmittel einen Kälteträger, insbesondere Glykol, umfasst, und die Zuführeinrichtung eine zweite Umschaltvorrichtung (60) sowie eine erste Vorlaufleitung (61) und eine zweite Vorlaufleitung (62) umfasst, wobei die erste Vorlaufleitung (61) dazu ausgebildet ist, einen Strom des Kühlmittels mit der ersten Temperatur von dem ersten Temperaturzweig zu der zweiten Umschaltvorrichtung (60) zu liefern, und wobei die zweite Vorlaufleitung (62) dazu ausgebildet ist, einen Strom des Kühlmittels mit der zweiten Temperatur von dem zweiten Temperaturzweig zu der zweiten Umschaltvorrichtung (60) zu liefern.
Die Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und/oder zweite Umschaltvorrichtung ein Drei-Wege-Umschaltventil umfasst.
Die Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin eine Steuer- oder Regelvorrichtung umfassend, wobei die Steuer- oder Regelvorrichtung zumindest eine Sonde zum Bestimmen der Temperatur des Gär- und/oder Lagertanks (10) umfasst und dazu ausgebildet ist, die Zufuhr des Kühlmittels von der Kälteanlage (20) zu dem Wärmeübertrager (30, 35) auf der Basis der bestimmten Temperatur des Gär- und/oder Lagertanks (10) zu steuern oder zu regeln.
Die Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlfläche des Wärmeübertragers (30, 35) ausreichend groß dimensioniert ist, um während einer Phase des Herunterkühlens den Gär- und/oder Lagertank (10) von einer Ausgangstemperatur auf eine Zieltemperatur in einem vorbestimmten Zeitraum abzukühlen.
Verfahren zur mehrphasigen Kühlung eines Gär- und/oder Lagertanks (10), mit den Schritten: Liefern eines Kühlmittels mit einer ersten Temperatur von einem ersten Temperaturzweig zumindest einer Kälteanlage (20) zu zumindest einem Wärmeübertrager (30, 35), der dazu ausgebildet ist, Wärme von dem Gär- und/oder Lagertank (10) auf das Kühlmittel zu übertragen, während einer ersten Kühlphase, insbesondere einer Gärphase, und Liefern des Kühlmittels mit einer zweiten, von der ersten Temperatur verschiedenen Temperatur von einem zweiten Temperaturzweig der Kälteanlage (20) zu demselben Wärmeübertrager (30, 35) während einer zweiten Kühlphase, insbesondere einer Phase des Herunterkühlens, wobei die erste Temperatur des Kühlmittels über das Druckverhältnis eines ersten Kompressors in dem ersten Temperaturzweig der Kälteanlage (20) bestimmt wird, und wobei die zweite Temperatur des Kühlmittels über das Druckverhältnis eines zweiten Kompressors in dem zweiten Temperaturzweig der Kälteanlage (20) bestimmt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei der Wärmeübertrager (30, 35) eine Kühltasche, insbesondere eine Pillow Plate Kühltasche umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, weiterhin umfassend: Rückführen des Kühlmittels nach Durchgang durch den Wärmeübertrager (30, 35) zu dem ersten Temperaturzweig der Kälteanlage (20) während der ersten Kühlphase, und Rückführen des Kühlmittels nach Durchgang durch den Wärmeübertrager (30, 35) zu dem zweiten Temperaturzweig der Kälteanlage (20) während der zweiten Kühlphase, wobei das Rückführen des Kühlmittels zu dem ersten Temperaturzweig während der ersten Kühlphase über eine erste Umschaltvorrichtung (40) und eine erste Rücklaufleitung (41) geschieht, und das Rückführen des Kühlmittels zu dem zweiten Temperaturzweig während der zweiten Kühlphase über die erste Umschaltvorrichtung (40) und eine zweite Rückführleitung (42) geschieht.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Kühlmittel ein Kältemittel, insbesondere Ammoniak, umfasst, und wobei das Liefern des Kühlmittels mit der ersten und der zweiten Temperatur über genau eine Vorlaufleitung (50) erfolgt und weiterhin das Einspritzen des Kühlmittels von unten in den Wärmeübertrager (30, 35) umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei das Kühlmittel nach Durchgang durch den Wärmeübertrager (30, 35) in gasförmigem Aggregatzustand vorliegt.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Kühlmittel einen Kälteträger, insbesondere Glykol, umfasst, und wobei das Liefern des Kühlmittels von dem ersten Temperaturzweig zu dem Wärmeübertrager (30, 35) über eine erste Vorlaufleitung (61) und eine zweite Umschaltvorrichtung (60) erfolgt, und das Liefern des Kühlmittels von dem zweiten Temperaturzweig zu dem Wärmeübertrager (30, 35) über eine zweite Vorlaufleitung (62) und die zweite Umschaltvorrichtung (60) erfolgt.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und/oder zweite Umschaltvorrichtung ein Drei-Wege-Umschaltventil umfasst.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin das Steuern oder Regeln der Zufuhr des Kühlmittels von der Kälteanlage (20) zu dem Wärmeübertrager (30, 35) auf der Basis einer Temperatur des Gär- und/oder Lagertanks (10) umfassend, wobei die Temperatur des Gär- und/oder Lagertanks (10) mit Hilfe zumindest einer Temperatursonde bestimmt wird.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Kühlphase eine Gärphase eines herzustellenden Bieres ist und die zweite Kühlphase eine Phase des Herunterkühlens ist, worin das herzustellende Bier von einer Ausgangstemperatur in einer vorbestimmten Zeit auf eine Zieltemperatur abgekühlt wird, und wobei die Kühlfläche des Wärmeübertragers (30, 35) eine für die zweite Kühlphase geeignete Fläche umfasst.