EP2946157A1 - Verfahren und vorrichtung zur kühlung eines gär- und/oder lagertanks - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur kühlung eines gär- und/oder lagertanks

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Publication number
EP2946157A1
EP2946157A1 EP13805322.8A EP13805322A EP2946157A1 EP 2946157 A1 EP2946157 A1 EP 2946157A1 EP 13805322 A EP13805322 A EP 13805322A EP 2946157 A1 EP2946157 A1 EP 2946157A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature
coolant
cooling
heat exchanger
fermentation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13805322.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Rackerseder
Michael Zock
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Krones AG
Original Assignee
Krones AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Krones AG filed Critical Krones AG
Publication of EP2946157A1 publication Critical patent/EP2946157A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D31/00—Other cooling or freezing apparatus
    • F25D31/006—Other cooling or freezing apparatus specially adapted for cooling receptacles, e.g. tanks
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12C—BEER; PREPARATION OF BEER BY FERMENTATION; PREPARATION OF MALT FOR MAKING BEER; PREPARATION OF HOPS FOR MAKING BEER
    • C12C11/00—Fermentation processes for beer
    • C12C11/003—Fermentation of beerwort
    • C12C11/006—Fermentation tanks therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12C—BEER; PREPARATION OF BEER BY FERMENTATION; PREPARATION OF MALT FOR MAKING BEER; PREPARATION OF HOPS FOR MAKING BEER
    • C12C11/00—Fermentation processes for beer
    • C12C11/11—Post fermentation treatments, e.g. carbonation, or concentration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—Component parts or details not otherwise provided for in this subclass
    • F25B2400/06—Several compression cycles arranged in parallel
    • F25B2400/061—Several compression cycles arranged in parallel the capacity of the first system being different from the second
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/06—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with the heat-exchange conduits forming part of, or being attached to, the tank containing the body of fluid

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for cooling, in particular for jacket cooling, one and / or more fermentation and / or storage tanks, in particular during the fermentation phase and the phase of cooling, in particular in beer production.
  • the fermentation process takes place over a certain period of time at a specific, fixed temperature profile, eg. B. a maximum temperature of +20 ° C, which depends on the production method and is documented for example on the basis of a proofing diagram.
  • a specific, fixed temperature profile eg. B. a maximum temperature of +20 ° C, which depends on the production method and is documented for example on the basis of a proofing diagram.
  • the yeast added to the wort converts the contained sugar into alcohol, C0 2 and heat (as soon as the yeast is added to the wort and the fermentation process is initiated, it is called green beer).
  • the optimal fermentation temperature is above 13 ' ⁇ , usually even above 18' ⁇ , and in the classical case even up to about 25 ° C.
  • the main fermentation process takes about three to five days when using top-fermented yeast and usually longer in the case of bottom-fermented yeast, sometimes up to about ten to twelve days.
  • the fermentation process at least the main fermentation process, generally takes place in closed cylindroconical tanks. In order to keep the temperature of these fermentation tanks constant over the period of the fermentation phase or to control or regulate based on a predetermined temperature profile, the resulting heat must therefore be removed continuously.
  • the fermentation tanks are continuously cooled during the fermentation phase.
  • Cooling capacity ⁇ amount of wort [hl] x Extraction of extract [kg / hl] x 135 [kcal / kg] ⁇ / fermentation time
  • the main fermentation process is generally followed by a post-fermentation phase and a cooling phase during beer production during which the fermentation and / or storage tank is conditioned by the temperature of the fermentation phase, e.g. B. +20 ° C, to the storage temperature of z. B. -1 ° C to +3 ' ⁇ or to an overlying temperature for secondary fermentation of z. B. +2 ° C to +4 ⁇ ⁇ is cooled.
  • the fermentation tank is already cooled during the secondary fermentation. It should be noted, however, that there are also fermentation processes in which the temperature in the post-fermentation phase is raised. Thus, the fermentation by-products produced in the main fermentation phase can be degraded faster by the yeast.
  • the secondary fermentation but also in another tank, eg. B. a second cylindroconical tank or in a horizontal tank, carried out in the storage cellars and thus independent of the main fermentation.
  • another tank eg. B. a second cylindroconical tank or in a horizontal tank
  • the process step of pump-over, from one tank (eg main fermentation) to another tank (secondary fermentation and storage) is called "tubing.”
  • tubing the process step of pump-over, from one tank (eg main fermentation) to another tank (secondary fermentation and storage)
  • the desired temperature for the secondary fermentation must be maintained or to the storage temperature of
  • the tanks are often referred to as unit tanks, where the tank is used for both the primary fermentation, post-fermentation and storage operations. Often cylindro-carbonic tanks are designed so that they can be used either as fermentation tanks or as storage tanks.
  • the process of producing fermented liquid foods, especially beer is divided into two phases, which make different demands on the cooling system used and the refrigeration system used:
  • the temperature of the fermentation tank must be maintained over a certain period of time (eg of several days) are kept constant at the optimal fermentation temperature.
  • the second phase that is the phase of cooling down
  • the young beer is said to be within one of the Operators specified time (for example, at 1 ° C per hour) are cooled from the fermentation temperature to the significantly lower storage temperature or tube temperature down.
  • Conventional refrigeration systems therefore see two separate cooling devices with separate cooling surfaces, eg. B. as jacket cooling on the cone and as a hose cooling, before, which are operated with different flow temperatures.
  • the different flow temperatures of the different consumers are achieved either via a back pressure valve when using compression refrigerators or via admixture of a refrigerant with a higher temperature to the refrigerant with the low temperature.
  • the secondary fermentation and the cooling down can also be carried out directly in the fermentation tank, the prior art thus always provides separate cooling devices with separate cooling circuits for the two phases.
  • Modern breweries generally use for the above-mentioned cooling one or more compression refrigeration machines, which in addition to the heat exchanger (evaporator) include a compressor for compressing the gaseous refrigerant. From the compressor, the compressed refrigerant is passed into another heat exchanger (condenser), where it condenses with heat release. The now liquid refrigerant is a throttle, z. As an expansion valve or a capillary tube, relaxed and then fed back to the evaporator.
  • the energy consumption of a compression refrigeration machine is determined primarily by the pressure ratio between the final pressure and the suction pressure of the compressor used and its number of working (COP - coefficient of performance).
  • the present invention is therefore based on the object, an efficient and energy-efficient cooling of a fermentation and / or storage tank, or a tank farm of several (at least two) fermentation and / or storage tanks both during the fermentation phase and during the phase of cooling down without to ensure the above-mentioned disadvantages.
  • a device for cooling a fermentation and / or storage tank comprising at least one heat exchanger, which is designed to transfer heat from the fermentation and / or storage tank to a coolant, at least one connected to the heat exchanger Refrigeration system, wherein the refrigeration system comprises a first temperature branch with a first compressor and a second temperature branch with a second compressor, and wherein the refrigeration system is connected to the heat exchanger such that the refrigerant optionally one after the other at a first temperature from the first temperature branch to the heat exchanger and with a second, different from the first temperature temperature of the second temperature branch to the same heat exchanger is available.
  • the device is a device for jacket cooling of a fermentation and / or storage tank, in which the at least one heat exchanger is mounted on the fermentation and / or storage tank from the outside. Additionally or alternatively, the at least one heat exchanger can also be mounted in the interior of the fermentation and / or storage tank. In this case, a single heat exchanger or a group of two or more heat exchangers can be used for cooling, wherein the group is operated from two or more heat exchangers with a common coolant temperature.
  • one and the same fermentation and / or storage tank is operated with one and the same at least one heat exchanger for removing the process-engineering fermentation heat during fermentation of liquids, such as wort, green beer, etc.
  • the invention also includes a system with a plurality of fermentation and / or storage tanks, wherein each fermentation and / or storage tank has at least one heat exchanger, which is operated according to the invention with two different temperatures of a coolant.
  • the invention comprises a tank farm, comprising a plurality of fermentation and / or storage tanks, which are each operated in different phases or partial phases of the production process, ie the fermentation phase and the cooling phase.
  • the heat exchanger can be designed as an evaporator or as a liquid recuperator.
  • the heat exchanger can be designed as a steep tube evaporator, tubular boiler evaporator, finned tube evaporator, coiled tube evaporator, plate evaporator, cooling bag, in particular Pillow Plate cooling bag (see below), or in any known type.
  • the heat exchanger may in particular be a heat exchanger with refrigerant injection, ie an evaporator with dry expansion, which is equipped at the inlet with a throttle body which is designed so that the refrigerant is completely vaporized at the outlet and overheated.
  • a heat exchanger with refrigerant injection ie an evaporator with dry expansion
  • a throttle body which is designed so that the refrigerant is completely vaporized at the outlet and overheated.
  • liquid recuperators plate heat exchangers, spiral heat exchangers, tube heat exchangers or tube bundle heat exchangers, U tube heat exchangers, casing tube heat exchangers, or the like can be used.
  • Some of the types mentioned can be used both for direct cooling and for indirect cooling, that is to say as an evaporator or as a liquid heat exchanger.
  • the heat exchanger can also be mounted alternatively or additionally within the fermentation and / or storage tanks.
  • At least one refrigeration system is connected to the heat exchanger, ie connected by pipelines, the refrigeration system comprising at least a first temperature branch and a second temperature branch.
  • One or more separate refrigeration systems can be connected to the heat exchanger.
  • Each of the at least two temperature branches in this case comprises a compressor whose operating parameters, in particular the pressure ratio of final pressure to suction pressure, so the degree of compression, can be specifically chosen so that the coolant from the first temperature branch with a first temperature to the heat exchanger and of the second temperature branch with a second, different from the first temperature temperature to the same heat exchanger is available.
  • the respective compressors can be selected according to the required pressure ratio with an optimum coefficient of performance (COP), ie with an optimum ratio of the cooling power to the electrical power.
  • COP coefficient of performance
  • the electrical performance of the entire device can be optimized.
  • the first temperature may be selected according to the technical specifications such as heat transfer coefficient and heat transfer coefficient of the heat exchanger and the cooling power required during the fermentation phase, while the second temperature according to the specifications of the heat exchanger and for cooling down the fermentation and / or storage tank in a vorgege- benen time required cooling capacity can be determined.
  • the second temperature is substantially below the first temperature (see also examples below), so that the temperature difference between evaporator temperature and condenser temperature for the first temperature branch is much lower than the corresponding difference for the second temperature branch ,
  • the condenser temperature is fixed by the ambient temperature or the temperature of another cooling medium, therefore, the present invention utilizes the fact that for keeping the fermentation temperature constant, a substantially higher coolant temperature than the coolant temperature during the cooling down phase is sufficient to generate electrical energy save.
  • each temperature branch may further include a separate condenser (condenser) in which the compressed refrigerant is liquefied by releasing heat to the environment or another cooling medium.
  • the refrigeration system may have a common capacitor for the first and the second temperature branch, in particular when operating with a single fermentation and / or storage tank, wherein the compressors are operated alternately.
  • condenser the known types can be used, in particular water-cooled capacitors such as tube bundle capacitors, air-cooled condensers or evaporation condensers.
  • the inventive device further comprises a throttle device, in particular in the form of an expansion valve, which separates the heat exchanger from the at least one capacitor.
  • a throttle device in particular in the form of an expansion valve, which separates the heat exchanger from the at least one capacitor.
  • the throttle device is advantageously mounted directly on the inlet of the heat exchanger.
  • a thermostatic expansion valve can be used, which can be controlled mechanically or electronically.
  • a capillary sensor can be applied to the corresponding pipeline, wherein the stroke of the injection valve / expansion valve and thus the injection mass flow in the evaporator is controlled by the pressure of the enclosed capillary.
  • the at least one refrigeration system can also be designed as absorption cooling system, wherein the place of the compressor, an absorber, a temperature changer and a cooker occur.
  • the refrigerant evaporated in the heat exchanger is in this case dissolved in the absorber in a liquid, generally water, with the resulting solution heat being removed via a separate cooling circuit.
  • the refrigerant-enriched liquid is fed via the temperature changer to the digester, where the dissolved refrigerant is expelled by heating. The expelled refrigerant is then re-liquefied in the condenser.
  • the refrigerant which is returned from the cooker to the absorber and heated by the refrigerant, heats the refrigerant-enriched liquid in the inlet to the cooker via the temperature changer.
  • the heat exchanger delivers refrigerants with different return temperatures in the first or second temperature branch to the respective absorber, so that the cooling of the absorber required for the absorption / solution can be optimized to the respective return temperature. This results in comparison with the prior art with only one temperature branch energy savings in the form of unneeded cooling capacity at the absorber.
  • the first temperature branch and the second temperature branch can each be designed as a complete temperature circuit of a compression refrigerating machine, comprising a compressor, a condenser, a throttle device and an evaporator, wherein at least one refrigerant evaporates as a second, different from the refrigerant coolant in the respective evaporator and thereby transfers cold to the brine, which is then supplied from the respective evaporator to the heat exchanger.
  • a compression refrigerating machine comprising a compressor, a condenser, a throttle device and an evaporator, wherein at least one refrigerant evaporates as a second, different from the refrigerant coolant in the respective evaporator and thereby transfers cold to the brine, which is then supplied from the respective evaporator to the heat exchanger.
  • the device according to the invention when using a coolant as a coolant, provides two coupled cooling circuits, wherein the first temperature branch and the second temperature branch as part of a compression refrigeration machine cool the heat carrier heated in the heat exchanger as it flows through the respective evaporator to the first or second temperature.
  • a refrigerant here is a coolant that absorbs heat without evaporating. In the way in which the brine is heated during heat transfer, it must be cooled down again (indirect cooling). According to the invention, this cooling takes place at a first or a second temperature through two separate temperature branches of the refrigeration system.
  • energy savings can be achieved by using a compressor optimized for the desired temperature and the desired pressure.
  • a refrigerant come here only frost-proof, ie present in the entire cooling circuit in liquid form, and non-aggressive coolant into consideration, especially glycol and chlorine-free noble brine.
  • Other possible refrigerants include inhibited glycol, ethylene-glycol-water (EWG) and propylene-glycol-water (PWG). The invention is not limited to the coolant mentioned here.
  • the throttling devices or expansion valves used are at the inlet of the respective evaporator, while in the refrigerant circuit only a control valve and possibly pumps regulate the inflow of the refrigerant to the heat exchanger.
  • refrigerant irrespective of whether used for direct evaporation in the heat exchanger or as at least second coolant from which cold is transferred to a refrigerant used in the indirect cooling in the respective evaporator, in particular R717 ammonia can be used (see below).
  • Other refrigerants are, for example, R290 propane, R744 carbon dioxide, butane, fluorinated hydrocarbons (HFC), hydrofluorocarbons (HFCs), such as.
  • R134A tetrafluoroethane
  • R507, R407C and R404A hydrocarbons such as propylene, isobutane and propane.
  • mixed refrigerants can also be used. A distinction is made here between azeotropic mixtures of those with thermal glide. The invention is not limited to the refrigerants mentioned here.
  • the refrigeration system or the first and the second temperature branch can furthermore contain further elements for optimizing the cooling capacity.
  • the cooling circuits of the compression refrigeration machines used can be designed as a single-stage refrigeration system with separator and pump circulation, as a refrigeration system with economizer, as a refrigeration system with internal heat exchanger and / or desuperheater, or as a two- or multi-stage refrigeration system with two or more compressors per temperature branch.
  • all other components such as separators, condensers, and economizers can be designed either separately per temperature branch or together for all temperature branches.
  • the first and the second temperature branch can also be embodied in spatially separate refrigeration systems, in particular in the case of further development for indirect cooling.
  • the saving effect with respect to the required electrical energy results in each case, provided that the coolant with the first and second temperature is supplied to the heat exchanger from the first or second temperature branch, each with separate, optimized compressors, be it directly from the compressor to be evaporated Refrigerant or indirectly with heat exchange via one or more evaporators.
  • the heat exchanger comprises a cooling bag, in particular a pillow plate cooling bag.
  • the one or more coolers are here on the Au .seite the fermentation and / or storage tanks, in particular in the region of the cone of a cylindroconical fermentation and / or storage tanks, but also mounted on the frame of the tank.
  • Particularly effective is the use of Pillow Plates as coolers, which are generally made of thin metal surfaces, which are connected by spot welding to the surface of a thicker metal sheet. After welding, the enclosed space is pressurized so that the thin metal sheet bulges around the welds, thereby creating room for the coolant to flow through.
  • the coolers can be mounted in different cooling zones on the fermentation and / or storage tanks. Each cooler bag is generally equipped with shut-off valves.
  • the design of the coolers on the fermentation and / or storage tank must be done in a form that the resulting fermentation heat with the corresponding higher first temperature of the refrigerant or refrigerant, z. B. at +5 ' ⁇ , can take place.
  • the design of the cooling zones or cooling pockets on the tank is defined by the process of cooling down, in which the corresponding amounts of heat are dissipated in a much shorter time, so that the cooling pockets designed for the cooling down process are also automatically responsible for discharging the fermentation heat are suitable.
  • Pillow Plate coolers are in the context of the present invention particularly advantageous, especially in direct cooling, since it due to the geometry of the pillow plate cooling bag (free inner diameter of, for example, 3 to 4 mm) in the evaporation of the injected refrigerant, in particular of ammonia, due to the volume increase occurring in this case, a high flow velocity of the gas in the cooling pocket occurs. Due to the high flow rate of the gas is prevented that located in the refrigerant oil, for example, for the lubrication of the compressors, collects in the cooling pockets, as this is entrained by the high flow rate in the cooling bag.
  • the device for cooling the fermentation and / or storage tank comprises a return device, which is designed to supply a flow of the coolant from the heat exchanger to the refrigeration system, wherein the return means comprises a first switching device and a first return line and a second return line, wherein the first return line is adapted to supply a flow of the coolant from the first switching device to the first temperature branch, and wherein the second return line is adapted to generate a current of the coolant from the first switching device to the second temperature branch.
  • the first switching device can be mounted directly on the outlet of the heat exchanger. Thus, depending on which cooling capacity is required in the heat exchanger, that is to say which temperature has the coolant flowing through the heat exchanger, it can be controlled via the first switching device whether the coolant returns via the first return line back to the first temperature circuit or via the second return line the second temperature circuit is supplied.
  • the first switching device thus realizes a splitting of the cooling circuit, which consists of the refrigeration system and the heat exchanger, in temperature branches, which are used specifically for certain coolant temperatures, ie for specific phases during the fermentation and / or storage process, and which in the refrigeration system in Continue the shape of the first and second temperature branches. Therefore, the coolant can be selectively used with the respective temperature.
  • the refrigerant When using a refrigerant to be evaporated, z. B. of ammonia, the refrigerant is present in the first and second return line each with a different pressure or a different return temperature, which is controlled or regulated according to the pressure ratio of the respective compressor.
  • the injection of the refrigerant into the heat exchanger can be regulated so that the return of the refrigerant to avoid re-evaporations in the refrigerant return occurs in a substantially gaseous form. This can be achieved by controlling, metering and regulating the refrigerant inflow in the flow of the heat exchanger.
  • the simultaneous return of the coolant heated in the respective heat exchangers can be achieved over only two (at more than two temperatures) more) realize return lines, whereby investment costs can be saved.
  • each switching device can here and below be used any switching device which is adapted to deliver a fluid, in particular a coolant, from a supply line optionally to a first discharge line or a second discharge line (Switching device for dividing and forwarding possibility from one to two lines), or is adapted to supply a fluid, in particular a coolant, optionally from a first supply line or a second supply line to a discharge line (switching device for merging and forwarding of two on a line ).
  • each switching device may comprise a three-way switching valve.
  • each three-way switching valve may preferably be equipped with non-return valve (s) and / or shut-off valves.
  • the device for cooling a fermentation and / or storage tank can furthermore comprise a feed device, which is designed to supply a flow of the coolant from the refrigeration system to the heat exchanger, wherein the coolant comprises a refrigerant, in particular ammonia, and wherein the supply means comprises only a supply line, which is connected to the heat exchanger from below.
  • a feed device which is designed to supply a flow of the coolant from the refrigeration system to the heat exchanger, wherein the coolant comprises a refrigerant, in particular ammonia, and wherein the supply means comprises only a supply line, which is connected to the heat exchanger from below.
  • this one feed line to the heat exchanger can be connected from below, so that via the targeted injection of the refrigerant from below as complete as possible evaporation of the refrigerant in the heat exchanger, in particular the cooling bag is guaranteed.
  • the use of a refrigerant, in particular ammonia, as coolant is advantageous because due to the direct evaporation of the refrigerant in the cooling bag lower losses occur than in indirect cooling.
  • the investment costs are reduced because of the smaller diameter flow and return piping and the possibility to work with only one supply line.
  • the device for cooling a fermentation and / or storage tank comprise a feed device, which is designed to supply a flow of the coolant from the refrigeration system to the heat exchanger, wherein the coolant comprises a coolant, in particular glycol, and the supply means comprises a second switching device and a first flow line and a second flow line, wherein the first flow line is adapted to supply a flow of the coolant at the first temperature from the first temperature branch to the second switching device, and wherein the second flow line is adapted thereto to provide a flow of the second temperature coolant from the second temperature branch to the second switching device.
  • the coolant comprises a coolant, in particular glycol
  • the supply means comprises a second switching device and a first flow line and a second flow line, wherein the first flow line is adapted to supply a flow of the coolant at the first temperature from the first temperature branch to the second switching device, and wherein the second flow line is adapted thereto to provide a flow of the second temperature coolant from the second temperature branch to the second switching device.
  • an indirect cooling of the fermentation and / or storage tank takes place, in which the refrigerant flows through the heat exchanger in liquid state and is returned via the first or second return line to one or more heat exchangers, in particular evaporators, to which the refrigerant is cooled down to the first and second temperature by heat exchange with the first and second temperature branch of the refrigeration system.
  • the coolant is then supplied to the heat exchanger via the first or second feed line with the first or second temperature.
  • the second switching device can in particular be attached directly to the inlet of the heat exchanger, so that the connection from the refrigeration system to the fermentation and / or storage tank or the tank farm is completely bridged by separate first and second flow lines.
  • the latter embodiment makes it possible, in particular in the operation of several fermentation and / or storage tanks in different phases, ie fermentation and Cooling phases, a rapid switching of a tank of the tank farm from one to the other phase.
  • a coolant as a coolant
  • the inlet piping of the heat exchanger can also be done from above.
  • the cold carrier flow to the heat exchanger can be controlled and regulated in order to guarantee a sufficient cooling capacity.
  • the refrigerant is present in the first and second flow line according to the alternative development with different temperatures.
  • the device according to the invention for cooling a fermentation and / or storage tank may further comprise a control or regulating device, wherein the control or regulating device comprises at least one probe for determining the temperature of the fermentation and / or storage tank and is designed for this purpose to control or regulate the supply of the refrigerant from the refrigeration system to the heat exchanger based on the determined temperature of the fermentation and / or storage tank.
  • the control or regulating device comprises at least one probe for determining the temperature of the fermentation and / or storage tank and is designed for this purpose to control or regulate the supply of the refrigerant from the refrigeration system to the heat exchanger based on the determined temperature of the fermentation and / or storage tank.
  • the at least one probe can be the temperature of the fermentation and / or storage tank and / or the temperature of the liquid food contained therein, for. B. beer, determine at least one place.
  • the temperature is determined by one of the usual temperature measuring methods and the corresponding temperature probe (for example, Pt 100).
  • the heat exchanger and the fermentation and / or storage tank therefore have in addition to the usual standard fittings on shut-off and metering valves, in particular expansion valves at the entrance of the coolers in the case of direct cooling with a refrigerant through which on the basis of the determined temperature of the fermentation and / or storage tanks, the supply of the coolant from the refrigeration system to the heat exchanger can be controlled.
  • the amount of the injected refrigerant can be regulated in order to guarantee a required cooling capacity.
  • the indirect cooling with a refrigerant equivalent to the flow of the liquid refrigerant can be controlled by the heat exchanger so that a temperature of the fermentation and / or storage tank can be kept constant or lowered at a predetermined rate.
  • care must also be taken to ensure that the injection of the refrigerant into the heat exchanger is regulated such that preferably gaseous refrigerant is present in the return.
  • the exact amount of the refrigerant to be injected can be calculated during commissioning of the system and set and ensured by a controller / regulation.
  • metering valves conventional needle valves can be used on the flow lines of the cooling pockets of the tank.
  • the control of the supply of the coolant can also take into account the temperature of the Heat exchanger exiting coolant done.
  • a capillary sensor can be applied to the pipeline in particular at the outlet of the evaporator and the stroke of the injection valve and thus the injection mass flow can be regulated by the pressure of the enclosed capillary liquid.
  • control variable while the overheating of the escaping refrigerant can be used.
  • thermostatic expansion valves as well as electronic expansion valves can be used.
  • automatic float valves can be used as a high-pressure float regulator on the high-pressure side (condenser side) or as a low-pressure float regulator on the low-pressure side (evaporator side).
  • the cooling surface of the heat exchanger is sufficiently large to cool the fermentation and / or storage tank from a starting temperature to a target temperature in a predetermined period during a cooling down phase.
  • the cooling capacity of the coolers or the heat exchanger at the fermentation and / or storage tank inter alia, by the heat transfer coefficient, the cooling surface and the temperature difference between the product, d. H. the food to be cooled, and the refrigerant defined.
  • the heat transfer coefficient which indicates the power flowing through an area of one square meter with the difference of the two-sided temperatures of one Kelvin, can be regarded as constant, since during the different process steps, i. H. Fermentation phase and cooling phase, the material thicknesses and thermal conductivities do not change.
  • the cooling area on the tank is normally dimensioned so large that the fermentation heat during the first phase (fermentation phase) at a higher refrigerant temperature, ie via a smaller temperature difference between product (eg young beer) and refrigerant, can be dissipated ,
  • a minimum size of the cooling surface is thus generally predetermined by the cooling capacity required thereby.
  • the cooling capacity can be calculated according to the known formulas (see below).
  • the first temperature of the coolant used during the fermentation phase can be chosen such that the cooling capacity of the heat exchanger determined by the cooling surface and the temperature difference between the fermentation temperature and the coolant is exactly the same or with a predetermined margin of safety is greater than the cooling capacity required to hold the respective required fermentation temperature constant.
  • the refrigeration system may be a compression refrigeration machine for direct cooling of the fermentation and / or storage tank or a compression refrigeration machine coupled to a refrigeration circuit of a refrigerant, the cooling of the refrigerant heated in the heat exchanger occurring via one or more evaporators Part of the first and the second temperature branch are.
  • the first or second temperature of the coolant is determined via the ratio of final pressure to suction pressure of the respective compressor in the first and second temperature branch.
  • inventive method can also be applied to several fermentation and / or storage tanks of a tank farm.
  • the individual fermentation and / or storage tanks of the tank farm can be in different phases or sub-phases.
  • a first fermentation and / or storage tank can already be used in the phase of are cooled while a second fermentation and / or storage tank is still in the fermentation phase.
  • the same refrigeration system can be used for operating a tank farm with fermentation and / or storage tanks in different phases, if by simultaneous operation of the first and second compressor and by connecting the respective fermentation and / or storage tank with the respective temperature branch, For example, by setting appropriate switching and control valves, at the same time coolant is supplied to the respective fermentation and / or storage tank with the first temperature and with the second temperature.
  • a cooling bag in particular a pillow plate cooling bag include.
  • the method for multiphase cooling further comprises:
  • the first switching device can be attached directly to the outlet of the heat exchanger.
  • the first switching device can also be mounted in the area of the refrigeration system.
  • the coolant can also be supplied via the corresponding return line via a separator to the respective compressor of the respective temperature branch.
  • the coolant can be supplied via the respective return line to a corresponding evaporator, via which it exchanges heat with the coolant in the respective temperature branch.
  • the supply of the refrigerant to be evaporated to the evaporator of the first temperature branch or the evaporator of the second temperature branch can be regulated in such a way that the th and second return line to the respective evaporator supplied refrigerant is cooled down to the corresponding first and second temperature.
  • the coolant may comprise a refrigerant, in particular ammonia, wherein the delivery of the coolant with the first and the second temperature takes place via exactly one flow line and further comprises the injection of the coolant from below into the heat exchanger.
  • a refrigerant used as the coolant, it is possible to dispense with a second feed line and thus to reduce investment costs.
  • the injection of the coolant to be evaporated from below into the heat exchanger, in particular in a cooling bag ensures the complete evaporation of the coolant, so that after evaporation of the coolant in the return lines can be avoided.
  • the coolant may be in the gaseous state after passage through the heat exchanger.
  • the coolant further comprises a lubricant, in particular oil, in addition to the refrigerant, the injection of the coolant into the heat exchanger can be regulated in such a way that the superheated steam of the refrigerant entrains the lubricant in droplet form upon exiting the heat exchanger, so that adequate lubrication of the coolant is achieved Compressors can be guaranteed.
  • the coolant may comprise a coolant, in particular glycol, wherein the delivery of the coolant from the first temperature branch to the heat exchanger via a first flow line and a second switching device takes place, and supplying the coolant from the second temperature branch to the heat exchanger over a second flow line and the second switching device takes place.
  • a coolant in particular glycol
  • the second switching device can be attached directly to the inlet of the heat exchanger in order to keep the length of the pipes used jointly for both temperatures as short as possible. This makes it possible, in particular, to achieve rapid switching from one phase to the other phase by changing the position of the first and the second switching device.
  • the second switching device can also be mounted in the area of the refrigeration system. In the indirect cooling thus connect the first return line and the second return line via a respective evaporator of the first and second temperature branch and the first and second flow line, the first with the second switching device.
  • the resulting parallel piping systems serve to transfer the temperature from the first or second temperature branch to the coolant circuit and finally to the heat exchanger.
  • the method according to the invention may further comprise controlling or regulating the supply of the coolant from the refrigeration system to the heat exchanger on the basis of a temperature of the fermentation and / or storage tank, the temperature of the fermentation and / or storage tank being at least a temperature probe is determined.
  • the variants and embodiments of the control described above in connection with the cooling device are also used here.
  • the temperature of the fermentation and / or storage tank or of the product contained therein, ie of the food to be fermented can be determined at least at one point with the aid of at least one temperature probe known from the prior art.
  • the amount of refrigerant injected into the heat exchanger can be regulated with direct cooling in such a way that post-evaporation of the refrigerant in the return lines can be avoided.
  • the first cooling phase is a fermentation phase of a beer to be produced and the second cooling phase is a cooling down phase in which the beer to be produced is cooled from an initial temperature to a target temperature in a predetermined time
  • the cooling surface of the heat exchanger is one for the second cooling phase includes suitable area.
  • a minimum cooling area can be calculated from the specifications of the outlet temperature, the target temperature, and the cooling time desired by the operator on the basis of the heat transfer coefficient of the heat exchanger to guarantee the required cooling performance.
  • the first, higher temperature of the coolant during the fermentation phase can be increased so that the calculated cooling surface just guarantees the required cooling capacity to keep the temperature of the beer to be produced in the fermentation and / or storage tank constant during the fermentation phase.
  • the apparatus and methods of the invention described above are not limited to beer production but can generally be used in the production of fermented liquid foods when e.g. B. on a fermentation phase with predetermined required cooling power another phase, z. B. a cooling phase, followed by a different cooling power required.
  • the described apparatus and methods can also be used in the production of wine, cider and other fermented fruit juices.
  • the phase of cooling down may also be divided into a plurality of sub-phases. For example, in a first phase of cooling down, cooling of the product from the transition temperature to an intermediate temperature using the coolant at a temperature which is below the intermediate temperature but above the target temperature, in particular take place with the first, during the fermentation phase temperature.
  • coolant may be supplied from the first temperature branch at the first temperature to the heat exchanger to cool the product to an intermediate temperature upon completion of the main fermentation.
  • the product e.g. As the beer to be produced, are finally cooled from the intermediate temperature to the target temperature using the coolant at the second temperature.
  • the cooling time may possibly extend slightly, while on the other side, however, additional electrical energy in the area of the refrigeration system can be saved.
  • the present invention further includes the generalization of the described apparatus and method to three or more temperature branches with the associated optimized compressors and delivering coolant from the three or more temperature branches having three or more temperatures to the heat exchanger. Accordingly, according to the invention, very different combinations of cooling phases can be realized.
  • Figure 1 illustrates a schematic diagram of an example of a cooling device for cooling a fermentation and / or storage tank according to the present invention in the case of direct cooling.
  • Figure 2 shows a schematic diagram of an example of a cooling device of a fermentation and / or
  • the process of beer production is generally divided into two phases.
  • a first phase Fermentation phase
  • the green beer is fermented at a maximum of +20 ° C, depending on the method of production of the operator.
  • alcohol, C0 2 and heat are formed. This heat must be during the Fermentation time (about three to twelve days, depending on the fermentation process) are removed, so that the fermentation temperature of, for example, +20 ' ⁇ can be kept constant.
  • the cooling down of the tank from the fermentation temperature (eg +20 ° C.) to, for example, -2 ° C. normally has to be carried out within a defined time (for example 1 K per hour) on the basis of instructions from the operator, in the process according to the invention
  • Device for cooling a second and colder coolant temperature and a second temperature branch of the refrigeration system used eg -4.5 ' ⁇ .
  • a three-way switching valve at the transition to the second phase to the -4.5 ' ⁇ cycle switched.
  • Phase 1 of the cooling down with the first coolant temperature (eg +5 ' ⁇ ) up to a temperature difference between the fermentation and / or storage tank and coolant, for example 5 K.
  • the cooling time may possibly extend slightly, while on the other side, however, additional electrical energy in the area of the refrigeration system can be saved.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an example of a device for cooling a fermentation and / or storage tank according to the present invention in the case of direct cooling by means of a refrigerant, for. As ammonia shown.
  • a refrigerant for.
  • FIG. 1 On the outside of the cylindroconical fermentation and / or storage tank 10, by way of example, several cooling pockets are provided as heat exchangers, both in the region of the cone (cooling pocket 30) and in the region of the frame (cooling pocket 35).
  • the refrigerant is supplied to the respective cooling pockets via a single feed line 50 and control valves 70. It is using the control valves 70, z. B. in the form of expansion valves, the amount of injected into the cooling pockets refrigerant regulated.
  • the pipelines shown here are only sketchy for clarity.
  • the expansion valves 70 may be located directly at the inlet of the corresponding cooling pockets 30 and 35.
  • the now predominantly vaporous refrigerant is supplied to a first three-way switching valve 40 via a return line.
  • the vaporous refrigerant is fed back to the refrigeration system 20 via a first return line 41 or via a second return line 42.
  • first return line 41 or via a second return line 42.
  • the three-way switching valve 40 can thus be set, for example, during the fermentation phase so that the refrigeration system 20, the feed line 50, the heat exchanger 30 and 35 and the return line 41 a coolant circuit with a first coolant temperature (z. B. +5 ' ⁇ ) forms.
  • a second coolant circuit with a second, lower coolant temperature for example, -4.5 ' ⁇
  • the cooling device shown can be operated flexibly depending on the cooling power requirement with a suitable appropriate pressure in the return lines and the corresponding, the required pressure ratio adapted compressor of the refrigeration system. This results in energy savings in the order of about 10% to 20% compared to conventional refrigeration systems with only one compressor and a fixed, for example, the cooling phase oriented coolant temperature (see below).
  • FIG 2 shows a schematic diagram of an example of a device for cooling a fermentation and / or storage tank according to the present invention in the case of indirect cooling by means of a refrigerant, for. B. Glycol, is the same symbols and reference characters in this case denote the components corresponding to Figure 1, the description is not repeated here.
  • the illustrated cooling device now additionally comprises a second three-way switching valve 60 and instead of a single flow line, a first flow line 61 and a second flow line 62nd
  • first and the second temperature branch of the refrigeration system for the first and second temperature of the coolant. While in FIG. 1, when using the direct evaporation of the refrigerant, the refrigerant in the return line is substantially vaporous is present, the coolant used in Figure 2 flows through the entire circuit of flow lines, heat exchangers 30 and 35, return lines and evaporator of the refrigeration system 20 in liquid form.
  • the refrigerant heated in the heat exchangers 30 and 35 is returned via the first return line 41 and the second return line 42 to a first and second evaporator of the refrigeration system 20 (not shown), where it is cooled to the first and second coolant temperature, and from there via the first supply line 61 and via the second supply line 62 and the second three-way switching valve the heat exchangers 30 and 35 fed again.
  • the first or second evaporator of the refrigeration system 20 is part of a first or second temperature circuit of a first or second compression refrigeration machine which in each case comprises a compressor. By different compression pressures of the respective compressors different evaporator temperatures are realized in the first and second evaporator, which determine the different temperatures of the refrigerant during the fermentation phase and the phase of cooling down.
  • the refrigerant used in the refrigeration system 20 may be in particular ammonia.
  • the first temperature branch of the refrigeration system 20 comprises the circuit of a compression refrigerating machine with a first temperature and connecting lines which supply the refrigerant from the first return line 41 via the corresponding evaporator to the first feed line 61.
  • the second temperature branch of the refrigeration system 20 correspondingly comprises a further refrigerant circuit of a compression refrigerating machine with a second temperature different from the first temperature and connecting lines which supply the refrigerant from the second return line 42 to the second feed line 62 via the corresponding evaporator of the further compression refrigerating machine.
  • the evaporator temperatures of the first or second compression refrigerating machine of the refrigeration system 20 are generally lower than the first or second temperature of the refrigerant, which are used for cooling the fermentation and / or storage tank during the fermentation phase or the phase of cooling down.
  • the cooling capacity of the cooling pockets on the tank or the heat exchanger is defined, inter alia, by the heat transfer coefficient, the cooling surface and the temperature between the product (eg green beer) and the coolant.
  • the amount of heat exchanged in time At as follows:
  • Q denotes the amount of heat transferred
  • k the heat transfer coefficient
  • A the cooling surface
  • ⁇ the temperature difference between z. B. green beer and refrigerant.
  • the heat transfer coefficient is given by formula 2 from the heat transfer coefficients ⁇ (coolant or refrigerant to tank wall) and a 2 (tank wall to be cooled product), the material thickness Si of the tank wall, ie the thickness between the cooling zone and product to be cooled (eg Jungbier), and the thermal conductivity
  • the heat transfer coefficient k is thus fixed by the specifications of the tank design and the choice of the heat exchanger. With a constant cooling area A, therefore, a correspondingly longer cooling time At results for a lower temperature difference ⁇ between the tank and the coolant.
  • the cooling surface A must be selected to be correspondingly large. This is particularly relevant when the phase of cooling down is again subdivided into two sub-phases, wherein during the first subphase the coolant with the higher first temperature is used.
  • formula 1 can be used to determine the required cooling surface from the requirements of the cooling capacity Q / At during the fermentation phase and the cooling down phase.
  • exemplary cooling capacities and electrical outputs of the compressors used are compared with the novel two-stage cooling of the conventional single-stage cooling according to the invention.
  • the refrigeration system is operated with an evaporator temperature of -4.5 ° C. and a condenser temperature of 34 ° C., with a total cooling capacity of 24 kW being required.
  • the only compressor used has a coefficient of performance (COP) of 5.05 and requires 4.8 kW of electrical power.
  • the method used in this example is a high tank fermentation process with a fermentation temperature of +20 ° C and a storage temperature of -2 ⁇ C.
  • the new two-stage cooling according to the present invention has a first temperature branch with a first compressor with a COP of 7.25 and a second temperature branch with a second compressor with a COP of 5.05. Since, during the fermentation phase according to the invention, the first temperature branch operates at a higher evaporator temperature of + 5 ° C, which corresponds to a lower temperature difference between evaporator temperature and condenser temperature, a more efficient compressor with a correspondingly higher coefficient of operation of 7.25 can be used to generate the corresponding pressure ratio become.
  • the required cooling capacity for the fermentation phase is 13 kW.
  • a conventional 5.05 working-horsepower compressor is used to reach evaporator temperatures of -4.5 ° C, as in conventional cooling.
  • a cooling capacity of 1 1 kW is required. If one adds the required electrical power of the first compressor of 1.8 kW and the second compressor of 2.2 kW, then the electric power required in the conventional single-stage cooling results in a saving of approximately 16%.
  • This energy saving can be further increased if, instead of a single fermentation and / or storage tank, a tank farm with several tanks is used, as is customary in industrial breweries. Since in a tank farm in general different tanks are operated simultaneously in different phases, a continuous operation of both compressors can be realized in contrast to a single fermentation and / or storage tank at a tank farm. This increases the saving in electrical power compared to conventional single-stage cooling to, for example, 23%. Thus, by using the invention in the cooling of a fermentation and / or storage tank results in a significant saving in electrical energy, taking into account that the refrigeration system is generally the largest consumer of electrical energy in modern breweries.

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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

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR KÜHLUNG EINES GÄR- UND/ODER LAGERTANKS
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 Gärpro- zess 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, C02 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 'Ό, meist sogar oberhalb 18 'Ό, 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 au ßen 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] x Extraktabbau [kg/hl] x 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 'Ό bzw. auf eine darüber liegende Temperatur zur Nachgärung von z. B. +2 °C bis +4 <Ό 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 <Ό 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 <Ό 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 zylindroko- nische 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 au ßen 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, Röh- renkesselverdampfer, 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 vorgege- benen 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 Au ßenseite 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 'Ό, 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 Absperrventilen) 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 Wei- teren 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 Käl- teträgerzufluss 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 Herun- terkühlens 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 ers- ten 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 Nach verdampfen 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 Aus- gangstemperatur 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 Ab- schluss 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.
Figur 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.
Figur 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, C02 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 'Ό 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 'Ό 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 'Ό). Hierzu wird, insbesondere über ein Drei-Wege- Umschaltventil, bei Übergang zur zweiten Phase auf den -4,5 'Ό 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 'Ό) 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 'Ό) bis zum Erreichen der gewünschten Temperatur, d. h. Lagertemperatur (z. B. -2 <Ό).
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 Figur 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 Kältemit- tels 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 'Ό) 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 'Ό) 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).
Figur 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 Figur 1 entsprechenden Komponenten, deren Beschreibung hier nicht wiederholt wird. Im Unterschied zur Direktkühlung der Figur 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 Figur 1 bei Nutzung der Direktverdampfung des Kältemittels das Kältemittel in der Rücklaufleitung im Wesentlichen dampfförmig vorliegt, durchströmt der in Figur 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 At ausgetauschte Wärmemenge wie folgt abschätzen:
Formel 1 : Q = k x A x ΔΤ wobei Formel 2: 1 /k = 1/αι + Si/Ai + 1/a2
Dabei bezeichnet Q die übertragene Wärmemenge, k den Wärmedurchgangskoeffizient, A die Kühlfläche und ΔΤ die Temperaturdifferenz zwischen z. B. Jungbier und Kältemittel. Der Wärmedurchgangskoeffizient ergibt sich dabei über die Formel 2 aus den Wärmeübergangskoeffizienten αι (Kühlmittel oder Kälteträger gegenüber Tankwand) und a2 (Tankwand gegenüber zu kühlendem Produkt), der Materialdicke Si der Tankwand, d. h. der Dicke zwischen Kühlzone und zu kühlendem Produkt (z. B. Jungbier), und der Wärmeleitfähigkeit 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 ΔΤ zwischen Tank und Kühlmittel eine entsprechend längere Kühlzeit At. Soll die Kühlzeit At 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/At 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 'Ό 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 qC/34 °C
Kälteleistung 13,00
Kompressor, elektrische Leistung 1 ,80
7,25
Kälteanlage -4,5 °C/34 °C
Kälteleistung 1 1 ,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 1 1 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 qC/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

Ansprüche
1 . 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.
2. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , in der der Wärmeübertrager (30, 35) eine Kühltasche, insbesondere eine Pillow Plate Kühltasche umfasst.
3. 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 Steueroder 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.
8. 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.
9. 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.
10. Das Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei der Wärmeübertrager (30, 35) eine Kühltasche, insbesondere eine Pillow Plate Kühltasche umfasst.
1 1 . 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.
12. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , 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.
13. Das Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei das Kühlmittel nach Durchgang durch den Wärmeübertrager (30, 35) in gasförmigem Aggregatzustand vorliegt.
14. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , 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.
15. Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und/oder zweite Umschaltvorrichtung ein Drei-Wege-Umschaltventil umfasst.
16. 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.
17. 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 um- fasst.
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