WO2004031340A1 - Intercambiador de calor tanque de fermentación - Google Patents
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Definitions
- An accessory for the cooling of fermentation tanks is presented, which can be used mainly in the production, cooling and maturation of beer, however, it can also be used in the production and fermentation of wine, fermentable alcoholic beverages or in the production of milk and milk derivatives.
- the improved fermentation equipment is arranged by the combination of a heat exchanger placed internally vertically, inside a tank, and which comprises concentric double-walled or single-walled cylinders, being able to present different modalities regarding their length. and capacity, depending on the size and geometry of the tank, and where a refrigerant will circulate through said heat exchanger to cool the liquid to the appropriate temperatures for the processes, supplying and recovering the refrigerant through distributors, which may be placed higher or inferiorly.
- the heat transfer takes place, as the exchangers are submerged in the liquid of the beer must and placed in the central part of the fermentation tanks. It also consists of tubular supports, feasible to be used as conduits for the supply and extraction of refrigerant, cleaning solutions and control signals.
- the heat exchanger of the proposed invention has the versatility of being used in both new fermentation equipment as well as adapting to existing fermentation equipment, greatly improving the cooling efficiency.
- the present invention has its field of action also in accessories for cooling, beer maturation and by extension to the fermentation of wine, whiskey, tequila, rum, vodka, in general for any type of distilled beverage produced during the fermentation of musts by means of yeasts, or any microorganism being able to also be used as a cooler and fermenter for dairy products.
- Another intention of the present invention is to have a vertical heat exchanger, immersed in the must and beer inside the fermenting tanks, consisting of tubes or cylinders with double metal walls, through which a refrigerant will circulate without mixing with the beer wort.
- the exchanger being placed inside the fermenter, manages to homogenize the temperature optimizing the cooling and fermentation process, avoiding high temperature differentials in the liquid, product of exothermic fermentation in the different areas of the liquid, which will obtain a better beer quality by having a controlled fermentation and at the same time, minimizing the formation of heavy, volatile alcohols and undesirable by-products.
- Another goal of the present invention is to have a heat exchanger which can be built in any size and with the appropriate capacity according to the cooling requirements, that is, the volume to be fermented and cooled.
- the distribution of the heat exchanger within the tank can be any and its operation can be carried out manually, automatically or in combination, the dimensions or diameter of the fermenting tank to be cooled not being a limitation.
- a wide heat exchanger has been developed in such a way that concentric system combinations with different geometries can be used, unlike having the external jackets of the fermenting tank as the only cooling element of conventional fermenting tanks.
- the present invention has been planned to eliminate the cooling jacket installed in the conical bottom of conventional fermenters, due to the feasibility of internally locating the vertical heat exchanger, bringing it closer to the bottom to cause the thermal movement necessary to cool. This part of the fe ⁇ nentador, thus achieving the same temperature and fermentation control for the entire tank and thus optimizing the fermentation process, since in this case double fermentations are eliminated.
- the versatility of the geometry of the heat exchanger has been provided by means of straight or concentric straight tubes for the passage of the refrigerant and its use will depend on the application and size of the fermenter. In this case, both the supply and extraction of the coolant from the heat exchanger is made from the outside of the fermenting tank through tubes connected to the transfer units, the coolant not having direct contact with the beer must.
- Another purpose of the present invention is to reduce the distance traveled by the refrigerant inside the vertical heat exchanger, whereby the temperature difference between the refrigerant and the liquid to be cooled remains high, allowing greater cooling efficiency, at difference of outer jackets located in conventional tanks, where the refrigerant travel distances are greater, having a lower average temperature difference.
- the circulation speed of the refrigerant is increased given the geometry of the straight tubes, thereby optimizing the cooling process.
- the placement of the vertical heat exchanger in the center of the tank reduces the formation of temperature strata compared to conventional systems and, at the same time, increases the natural speeds of the ascending and descending thermal currents, resulting in minimal differentials. temperature (more controlled fermentation) and therefore better products.
- It is another object of the present invention to provoke a vigorous movement of the must during fermentation, which induces a better contact between the yeast cells and the must, improving the fermentation process.
- Another purpose of the present invention is to allow a better use of energy and lower consumption because its entire surface is in contact with the liquid to be cooled, unlike traditional ones in which the outer wall of the jackets is oriented towards the outdoor environment causing heat losses to the environment, even with the use of insulation. It is another goal of the present invention to facilitate the homogeneity of the temperature and the movement of the liquid during cooling, helping to improve the transmission coefficients and, at the same time, eliminate the need to use carbon dioxide bubbling systems used in the systems. traditional.
- jackets are used and in arrangements with installations thereof on the vertical wall of the fermenters and cones, the jackets can be installed vertically or horizontally, in one or more cooling sections, but all of them are installed by welding them on the outer wall of the fermenter tank body.
- the cooling speed of the beer in the final stage of the process, is limited by the areas of available jackets, so that there are longer occupation times in the fermenters; requiring a greater number of these to achieve the desired production capacity in the plants.
- the heat transfer coefficients in conventional designs with external cooling jackets, are generally low, this factor, as well as the fact that only one side of the jacket is used for cooling, limits its efficiency. It is common to use carbon dioxide injection, in the final stages of cooling, to accelerate the movement of the beer and thus increase the coefficient of heat transmission for faster cooling. Additionally, on the outer face of the jacket, although it is isolated, there is an energy loss due to heat transmission due to the difference in temperatures between the external environment and the temperature of the coolant.
- the present invention consisting of a vertically placed internal heat exchanger, corrects and improves the performance of traditional systems
- Figure 1 is a vertical sectional view of a fermenter tank together with a vertically placed internal heat exchanger
- Figure 2 is a vertical sectional view of a fermenting tank together with a vertically placed internal heat exchanger denoting the movement or flow of the thermal currents;
- Figure 3 is a top view, in side section, of a fermenter tank showing the cable tie of the heat exchanger;
- Figure 4 is a bottom view, in side section, of a fermenter tank showing the cable tie of the heat exchanger;
- Figure 5 is a side sectional view of two double-walled cylinders through which the refrigerant circulates;
- Figure 6 is a perspective showing the upper collector detail in conjunction with the concentric tubes
- Figure 7 is a perspective showing the detail of the lower collector in conjunction with the concentric tubes
- Figures 8 to 19 show, in lateral section, how various possible arrangements or modalities of the heat exchanger that a cooling tank can carry;
- Figures 20 to 26 show, in vertical section, various forms of arrangement of the double-walled, interior and exterior cylinders of the heat exchanger that can be used.
- the present invention consists of an internal vertical heat exchanger 30, to be installed inside a tank 10, of the latter three main sections stand out: a cover upper 12, domed type, whose function will be to maintain a sufficient space to store the gases formed during the fermentation process; a body 14, of cylindrical shape whose function will be to contain the beer must to carry out the fermentation process, the exothermic reaction of which requires cooling, for which a cooling jacket 20 may be worn on the external wall, it is usually isolate the entire fermenter tank, to reduce heat losses to the environment and, the bottom 16 conical, with a variable design angle, whose function will be to receive and store the particles that settle, which are finally extracted by means of a lower valve 18, as well as the must and beer after having separated the sediments.
- a heat exchanger 30 is located, centered and vertically placed, whose function will be to cool the must and beer and keep them within the desired temperature range in the different stages of the process.
- This heat exchanger 30 is arranged by a set of two concentric straight cylinders forming a double wall through which a refrigerant circulates, to keep the beer and beer wort within the desired temperature ranges; which form the outer cylinder 32, attached at each of its ends to some donut-shaped refrigerant distributors, which we call: upper external collector 40 and collector lower external 42, through which the refrigerant will be fed, distributed and evacuated.
- the external and internal collectors are arranged in combination with the concentric cylinders that form double walls closed at their ends, carrying a multiplicity of holes 48, for the distribution and extraction of the refrigerant, located on the periphery of said ends and confined by half of a donut-shaped hemispherical cover 68 and 70.
- the double-walled outer cylinder 32 of the heat exchanger 30 is attached at its lower end to the lower outer collector 42, and has pipes 58 in place, the function of which will be both that of supporting the weight of the heat exchangers 32 and 34, as a conduit element for the refrigerant, as well as the conduction of signals from the temperature sensors and they are joined at their lower ends against the side walls of the conical section 16 .
- the pipes 50 and 52 have the function of supporting the weight of the heat exchanger 34 and also serving to conduct the refrigerant from the exchanger 32 to 34.
- the conduct of the refrigerant from the exchanger 32 to 34 can also be carried out by the duct 56 at the bottom and evacuation at the top through duct 50.
- the support pipes 60 also placed equidistant and which are joined at their ends to the body wall 14, whose function, in addition to keeping the heat exchanger in position 30, will serve to drain the refrigerant, and to conduct signals from the temperature sensors.
- the support pipes, both the lower 52 and 58, and the upper 50 and 60 are at least three in each section, distributed equidistant.
- the refrigerant will circulate to the lower external collector 42, to go through the jacket 32 and from there to the upper external collector 40, from where it is transferred through the conduits 60 to the exterior of fermenter tank.
- the refrigerant will circulate to the lower internal collector 46, to go through the jacket 34 and from there to the upper internal collector 44, from there through any of the ducts 60, evacuating the refrigerant to the outside of the fermenting tank, for collection.
- the oil purges in the case of using ammonia as a refrigerant, are external to the tank, using any of the support pipes 58 for draining.
- the equipment has also been provided with air purge lines 24, whose function will be to expel the air that accumulates inside the collectors of the heat exchanger 30, in the case of using glycol as a refrigerant.
- the cleaning requirements are very important, to avoid undesirable biological infections, this is achieved first: manufacturing the exchange systems, with a high degree of polishing on the surfaces of the exchangers and their parts, so that the release of yeast, residues, foam, beer be quick when using detergent solutions.
- the mechanical design of the heat exchanger 30 is such that during cleaning, the entire surface thereof is in contact with the cleaning liquids.
- a distribution system for cleaning solutions is made up of a central high pressure and flow cleaning turbine 22, and of at least four auxiliaries, one of them at the bottom of exchanger 30; cleaning the interior walls of the fermentor tank 10, as well as the surfaces of the heat exchanger 30, achieving efficient cleaning on the basis of flow, wall shock force, cycles and cleaning concentrations;
- the flow pattern in addition to being a removable system for inspection and maintenance, in addition to integrating sensors that detect flow movements in the turbines to guarantee cleanliness, these turbines 22 have been selected to self-clean each other so to ensure broad spectrum cleaning.
- the temperature sensors 66 can be installed inside the fermenter tank in any position in the supply or evacuation tubes 58,74 and 66, conducting the signals inside, this allows better temperature control, than installation only on the walls of the fermenter tank in traditional systems.
- the heat exchanger 30 can be formed from a larger multiple of jackets as shown in figure 8, or form a bundle of jackets as seen in figures 9 and 10, and can also be joined these jackets as shown in figure 14.
- distribution fins 60 consisting of deflector plates to ensure a more intimate contact and heat exchange as seen in Figures 16 and 17, or radial jackets 68 intermediate between the tube jackets 32 and 34.
- the heat exchanger 30 can have different dimensions in the length of the outer jackets 32 and the inner jackets 34 as can be seen in Figures 20 to 26.
- the present invention has the versatility of being able to adapt to any liquid fermentation process, and in different capacities and geometries of fermenters, even in existing conventional fermenters, for modernization, regardless of whether they have external jackets already installed .
- the cooling fluid can be of any type, that is, it can be a liquid with a high evaporation rate, or a liquid which does not undergo a noticeable change of physical state or liquid with solids with and without change of state.
- the refrigerant can be fed interchangeably through the upper part 60, or through the lower part 58 and 56, of the heat exchanger 30.
- the supply can be from the bottom or from the top, while in the case of liquid systems such as glycols, the supply must be from the bottom.
- the refrigerant enters the heat exchanger 30, for example, from the bottom through the support tubes 58, or through the lateral connections 74, the supply can be by one or through all the tubes, depending on the size of the fermenter and the process used, controlling the flow by means of valves placed externally to the inlet of the refrigerant supply.
- the information signals for temperature control are carried out by means of sensors 66, which in the case of the present invention, can be installed inside the tank to have more precise readings and fermentation control, unlike conventional systems, in which sensors are installed on the wall of the fermenting tank.
- the coolant Once the coolant enters the distributors 42 and 46. Each one will feed the concentric jackets 32 and 34, and its flooding will begin, and as I know of the evaporation of the coolant, that is, when it receives the energy in the form of heat of the must or beer, the steam will be received by the upper collectors 40 and 44, which have an internal design included as part of this document to allow an adequate collection of the used refrigerant that will lead it to the tank outlet pipe through the tubes 60 also used as supports for the heat exchanger 30 to keep it in position inside the tank.
- the liquid-gas type refrigerant for example ammonia can also be fed from the top, the flow is reversed, the only change is the type of distributors to be used.
- the feed is from the bottom 42 and 46 and the outlet from the top through the upper external collectors 40 and 44, with a special design for this type of refrigerant, in this case, the upper collectors 40 and 44 are installed with a vent and air purge system 24, necessary for proper operation.
- a liquid refrigerant for example glycol
- the evacuation of the used refrigerant from the heat exchanger 30 is made by means of the upper collectors 40 and 44 of them out of the fermentation tank 10 through one or more pipes 60 and 54 depending on the volume to be extracted and if the supply is higher. or less.
- control system is also similar to conventional ones, using on-off quick-closing valves to control the supply and exit of the refrigerant, as well as calibrated safety valves and vents internal for purge 24 directed and operated from dome 12, where control and vacuum valves 26 are also installed.
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Abstract
Se presenta un accesorio para el enfriamiento de tanques de fermentación, el cual puede ser usado fundamentalmente en la producción, enfriamiento y maduración de cerveza, dispuesto por la combinación de un intercambiador de calor vertical, colocado intemamente de manera centrada, dentro de un tanque y el cual comprende unos cilindros concéntricos de doble pared o bien pared simple, pudiéndose presentar diferente modalidades en cuanto a su largo y capacidad, dependiendo del tamaño y geometría del tanque; dentro de los cuales circulará un refrigerante para enfriar el mosto de la cerveza y la cerveza y mantenerlos dentro de un rango de temperatura adecuada. Los cilindros de doble pared que forman el intercambiador de calor, están unidos entre si por medio de tuberías para auto soporte y conducción del refrigerante. A su vez el intercambiador esta soportado por el cono y las paredes del tanque, por medio de tuberías que tambien sirven para la conducción de refrigerante y la conducción de señales. Destacándose en el tanque fermentador tres secciones principales: una tapa superior, de tipo abombada, un cuerpo de forma cilíndrica y un fondo de forma conica, en cuyo extremo final aparece una válvula, ademas de que sobre la pared extema y el cono, puede llevar una chaqueta de enfriamiento. La presente invención tiene su campo de acción en los accesorios para enfriamiento, maduracion de cerveza y por extensión a la fermentación de vino, whiskey, tequila, ron, vodka, en general para cualquier tipo de bebida destilada producida durante la fermentación de mostos por medio de levaduras, pudiéndose emplear también como enfriador y fermentadores de productos lácteos.
Description
INTERCAMBIADOR DE CALOR VERTICAL INTERNO
ALCANCE DE LA INVENCIÓN
Se presenta un accesorio para el enfriamiento de tanques de fermentación, el cual puede ser usado fundamentalmente en la producción, enfriamiento y maduración de cerveza, sin embargo, el mismo también puede ser empleado en la producción y fermentación de vino, bebidas alcohólicas fermentables o bien en la producción de leche y derivados lácteos.
El equipo de fermentación mejorado está dispuesto por la combinación de un intercambiador de calor colocado internamente de manera vertical, dentro de un tanque, y el cual comprende unos cilindros concéntricos de doble pared o bien pared simple, pudiéndose presentar diferente modalidades en cuanto a su largo y capacidad, dependiendo del tamaño y geometría del tanque, y donde a través de dicho intercambiador de calor circulará un refrigerante para enfriar el líquido a las temperaturas adecuadas para los procesos, alimentado y recuperado el refrigerante por medio de distribuidores los cuales podrán quedar colocados superior o inferiormente. La transmisión de calor se efectúa, al quedar los intercambiadores sumergidos en el seno del líquido del mosto de la cerveza y colocados en la parte central de los tanques fermentadores. Consta también de soportes tubulares, factibles de ser empleados como conductos para la alimentación y extracción de refrigerante, soluciones de limpieza y señales de control.
El intercambiador de calor de la invención propuesta, tiene la versatilidad de ser empleado tanto en equipos de fermentación nuevos como también adaptarse a equipos de fermentación existentes mejorando la eficiencia de enfriamiento notablemente.
Por consiguiente la presente invención tiene su campo de acción también en los accesorios para enfriamiento, maduración de cerveza y por extensión a la fermentación de vino, whiskey, tequila, ron, vodka, en general para cualquier tipo de bebida destilada producida durante la fermentación de mostos por medio de levaduras, o cualquier microorganismo pudiéndose emplear también como enfriador y fermentadores de productos lácteos.
OBJETIVOS DE LA INVENCIÓN De conformidad con el mejor conocimiento de los autores de la presente invención, pueden resumirse de la siguiente manera.
Es un propósito de la presente invención, contar con un equipo de enfriamiento interno vertical para fermentadores el cual tiene la capacidad de utilizar cualquier tipo de refrigerante
para ser usado dentro de los tanques fermentadores, enfriadores y maduradores de cerveza, El sistema optimiza el control y distribución de las temperaturas dentro del tanque, durante la fermentación, dando como resultado una mejor calidad de cerveza y acorta considerablemente el tiempo de enfriamiento en comparación a sistemas convencionales. Es otro objetivo de la presente invención, ser un equipo versátil de tal manera de ser compatible con los equipos tradicionales con chaquetas de enfriamiento externas, de tal manera de poder ser utilizado en conjunción con ellos, para su modernización , o bien emplearse el equipo propuesto para fermentadores nuevos.
Es otra intención de la presente invención, contar con un intercambiador de calor vertical, inmerso en el mosto y ó cerveza dentro de los tanques fermentadores, estando formado por tubos o cilindros de doble pared metálica, por los cuales circulará un refrigerante sin mezclarse con el mosto de la cerveza. El intercambiador, al estar colocado en el interior del fermentador, logra homogenizar la temperatura optimizándose el proceso de enfriamiento y fermentación, evitando diferenciales altos de temperaturas el líquido, producto de la fermentación exotérmica en las diferentes zonas del liquido con lo cual se obtendrá una mejor calidad de la cerveza al tener una fermentación controlada y a la vez, minimizando la formación de alcoholes pesados, volátiles y subproductos no deseables.
Es otra meta de la presente invención, el contar con un intercambiador de calor el cual puede ser construido en cualquier tamaño y con la capacidad apropiada de acuerdo a los requerimientos de enfriamiento, es decir, del volumen a fermentar y enfriar. La distribución del intercambiador de calor dentro del tanque puede ser cualquiera y su funcionamiento puede efectuarse de manera manual, automática o en combinación, no siendo una limitación las dimensiones o el diámetro del tanque fermentador a enfriar . Además, se ha desarrollado un intercambiador de calor amplio de tal manera de poder emplear combinaciones de sistemas concéntricos con diferentes geometrías, a diferencia de tener las chaquetas externas del tanque fermentador como el único elemento de enfriamiento de los tanques fermentadores convencionales.
Como otra característica de la presente invención, se ha previsto eliminar la chaqueta de enfriamiento instalada en el fondo cónico de los fermentadores convencionales, debido a la factibilidad para ubicar internamente el intercambiador de calor vertical, acercándole al fondo para provocar el movimiento térmico necesario para enfriar esta parte del feπnentador, logrando así una misma temperatura y control de fermentación para todo el tanque y de esa manera, optimizar el proceso de fermentación, ya que en tal caso se eliminan dobles fermentaciones.
Como otra meta de la presente invención, se ha previsto la versatilidad de la geometría del intercambiador de calor por medio de tubos rectos simples o concéntricos para el paso del refrigerante y su uso dependerá de la aplicación, y tamaño del fermentador. En este caso, tanto el suministro y extracción del refrigerante del intercambiador de calor se hace desde el exterior del tanque fermentador a través de tubos conectados a las unidades de transferencia, no teniendo contacto directo el refrigerante con el mosto de la cerveza.
Como otra intención de la presente invención, tiene el hecho de contemplar la colocación de aspersores debidamente orientados para la limpieza expedita del tanque de fermentación y el intercambiador de calor de tubos rectos verticales, facilitando la limpieza del equipo antes de iniciar otro lote de producción.
Es otro fin de la presente invención, reducir la distancia recorrida por el refrigerante dentro del intercambiador de calor vertical, por lo que la diferencia de temperaturas entre el refrigerante y el líquido a enfriar, se mantiene alta, permitiendo una mayor eficiencia de enfriamiento, a diferencia de chaquetas exteriores localizadas en tanques convencionales, donde las distancias de recorrido del refrigerante son mayores teniendo una diferencia de temperaturas en promedio menor.
En el caso de la invención propuesta, por medio del empleo del intercambiador de calor vertical, la velocidad de circulación del refrigerante se incrementa dada la geometría de los tubos rectos con lo cual se optimiza el proceso de enfriamiento. Así mismo, la colocación del intercambiador de calor vertical al centro del tanque disminuye la formación de estratos de temperatura en comparación con los sistemas convencionales y, a la vez se incrementan las velocidades naturales de las corrientes termales ascendentes y descendentes, dando por resultado diferenciales mínimos de temperatura (fermentación más controlada) y por ende mejores productos. Es otro objeto de la presente invención, provocar un movimiento vigoroso del mosto durante la fermentación, lo que induce a un mejor contacto entre las células de levadura y el mosto, mejorando el proceso de fermentación. Al tener una temperatura más uniforme en los estratos del mosto durante la fermentación, se mejora el control de la formación de alcoholes pesados, volátiles y subproductos no deseados en la cerveza Es otro propósito de la presente invención, permitir un mejor aprovechamiento de la energía y menores consumos porqué toda su superficie está en contacto con el liquido a enfriar, a diferencia de los tradicionales en los que la pared exterior de las chaquetas se orienta hacía el ambiente exterior provocando pérdidas de calor al ambiente, aun con uso de aislamiento.
Es otra meta de la presente invención, facilitar la homogeneidad de la temperatura y el movimiento del liquido durante el enfriamiento, ayudando a mejorar los coeficientes de transmisión y a la vez, eliminar la necesidad de utilizar sistemas de burbujeo con bióxido de carbono empleados en los sistemas tradicionales.
ANTECEDENTESDELAINVENCIÓN
En los tanques fermentadores de mosto para la producción de todo tipo de cerveza, así como tanques universales o tanques unitarios conocidos en el medio por el léxico de unitanks, de diseño tradicional, el control de temperatura durante la fermentación, enfriamiento y reposo se efectúa con chaquetas de enfriamiento externas a los tanques, ubicadas en las paredes de los mismos. Donde únicamente se utiliza la parte interior de la chaqueta de la chaqueta, para el enfriamiento del mosto y cerveza.
Se utilizan, varios diseños de chaqueta y en arreglos con instalaciones de las mismas en la pared vertical de los fermentadores y conos, las chaquetas pueden ser instaladas en posición vertical u horizontal, en una o varias secciones de enfriamiento pero todas ellas son instaladas soldándolas en la pared exterior del cuerpo del tanque fermentador.
En los fermentadores de diseño tradicional, conforme aumenta su capacidad, se aumenta el diámetro de los mismos, por lo que al tener instaladas las chaquetas en el exterior, la distancia de la zona de enfriamiento hacia el centro de los fermentadores se va incrementando y llegando a distancias mayores a cinco metros, lo que provoca que el control de temperatura no sea uniforme, y el movimiento de los líquidos no sea el adecuado, promoviendo la formación de estratos y diferencias de temperatura a veces mayores a 3° C, que impiden una fermentación controlada, provocándose la formación de subproductos no deseados. Ello va en detrimento de la calidad de cerveza producida. Lo anterior se va haciendo más notorio conforme aumenta la capacidad de los fermentadores. Esto obliga a que algunos productores de cerveza limiten el tamaño de los fermentadores para disminuir este efecto, implicando el tener que incrementar sus costos de inversión para tener más fermentadores y por ende el costo de producción de cerveza.
Así mismo el utilizar chaquetas de enfriamiento exteriores limita el diseño de la geometría de los tanques, ya que para tener una mayor área de transmisión de calor desde las chaquetas externas de enfriamiento y mayor velocidad de enfriamiento, se requiere una relación de altura sección recta/diámetro de tanque alta, mayor de 2:1. Lo que va en contra de los requerimientos tecnológicos para la producción de una cerveza de calidad
En sistemas convencionales se requiere la colocación de chaquetas de enfriamiento en los fondos cónicos de los tanques, para controlar la fermentación y el enfriamiento en esta zona, con un control de temperatura independiente. Estas chaquetas no siempre trabajan en forma similar a las chaquetas superiores, provocando dos tipos de fermentaciones, en detrimento de la calidad de la cerveza .
Por otra parte, la velocidad de enfriamiento de la cerveza, en la etapa final del proceso, se limita por las áreas de chaquetas disponibles, por lo que se tienen tiempos de ocupación más largos en los fermentadores; requiriéndose mayor número de estos para lograr la capacidad de producción deseada en las plantas. Los coeficientes de transmisión de calor, en los diseños convencionales con chaquetas de enfriamiento externas, son por lo general bajos, este factor, así como el hecho de utilizar una sola cara de la chaqueta para el enfriamiento, limita su eficiencia. Es común utilizar inyección de bióxido de carbono, en las etapas finales de enfriamiento, para acelerar el movimiento de la cerveza y así incrementar el coeficiente de transmisión de calor para un enfriamiento más rápido. Adicionalmente, en la cara exterior de la chaqueta, aunque está aislada, existe una pérdida de energía por transmisión de calor debido a la diferencia de temperaturas entre el ambiente exterior y la temperatura del refrigerante.
En resumen, los sistemas tradicionales tienden a dificultar el control de la calidad de la cerveza e inducir periodos largos de enfriamiento, ello eleva el costo de producción. La presente invención, consistente de un intercambiador de calor colocado internamente de manera vertical corrige y mejora los rendimientos de los sistemas tradicionales,
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1, es una vista en corte vertical de un tanque fermentador en conjunto con el un intercambiador de calor colocado internamente de manera vertical;
La figura 2, es una vista en corte vertical de un tanque fermentador en conjunto con el un intercambiador de calor colocado internamente de manera vertical denotándose el movimiento o flujo de las corrientes termales; La figura 3, es una vista superior, en corte lateral, de un tanque fermentador donde se aprecia el atirantado del intercambiador de calor;
La figura 4, es una vista inferior, en corte lateral, de un tanque fermentador donde se aprecia el atirantado del intercambiador de calor;
La figura 5, es una vista en corte lateral, de dos cilindros de doble pared por donde circula el refrigerante;
La figura 6, es una perspectiva mostrando el detalle colector superior en conjunto con los tubos concéntricos; La figura 7, es una perspectiva mostrando el detalle del colector inferior en conjunto con los tubos concéntricos;
Las figuras 8 a 19, muestran, en corte lateral, como varios arreglos o modalidades posibles del intercambiador de calor que puede llevar un tanque de enfriamiento;
Las figuras 20 a 26 muestran, en corte vertical, diversas formas de arreglo de los cilindros de doble pared, interiores y exteriores del intercambiador de calor que pueden ser usadas.
DESCRIPCIÓN DEL INVENTO
Con referencia a dichas figuras y siguiendo la misma nomenclatura de los signos de referencia indicados, la presente invención se compone de un intercambiador de calor vertical interno 30, para ser instalado dentro de un tanque 10, de este ultimo destacan tres secciones principales: una tapa superior 12, de tipo abombada, cuya función será la de mantener un espacio suficiente para almacenar los gases formados durante el proceso de la fermentación; un cuerpo 14, de forma cilindrica cuya función será la de contener el mosto de la cerveza para realizar el proceso de fermentación, cuya reacción exotérmica requiere de un enfriamiento, para lo cual sobre la pared externa puede llevar una chaqueta de enfriamiento 20 , se suele aislar todo el tanque fermentador, para disminuir perdidas de calor hacia el medio ambiente y, el fondo 16 de forma cónica, con ángulo de diseño variable, cuya función será la de recibir y almacenar las partículas que se sedimentan las cuales finalmente se extraen mediante una válvula inferior 18, al igual que el mosto y la cerveza después de haber separado los sedimentos.
Hacia el interior del tanque fermentador 10 se localiza un intercambiador de calor 30, de manera centrada y colocado verticalmente, cuya función será la de enfriar el mosto y la cerveza y mantenerlos dentro del rango de temperatura deseada en las diferentes etapas del proceso.
Este intercambiador de calor 30, se encuentra dispuesto por un conjunto de dos cilindros rectos concéntricos formando una doble pared por donde circulara un refrigerante, para mantener el mosto de la cerveza y la cerveza dentro de los rangos de temperatura deseados; los cuales forman el cilindro exterior 32, unidos en cada uno de sus extremos a unos distribuidores de refrigerante en forma de dona, los cuales denominamos: colector externo superior 40 y colector
externo inferior 42, a través de los cuales se alimentará, distribuirá y evacuará el refrigerante.
De manera similar, se cuenta con otro juego de dos cilindros rectos concéntricos, de doble pared, colocados de manera vertical y concéntricos al cilindro exterior 32 que conforman el cilindro interior 34, unidos éstos en cada uno de sus extremos a unos distribuidores de refrigerante, también en forma de dona, los cuales se nombran como colector interno superior 44 y colector interno inferior 46, y por cuyo interior circulará también un refrigerante. Estos colectores externos 40 y 42 así como los colectores internos 44 y 46 tienen la función de distribuir mejor el refrigerante y a la vez, servir de cámara de compensación para alimentar y extraer el refrigerante. Los colectores tanto externos como internos, se encuentran dispuestos en combinación con los cilindros concéntricos que forman doble pared cerrados en sus extremos, llevando una multiplicidad de orificios 48,para la distribución y extracción del refrigerante, localizados en la periferia de dichos extremos y confinados por medio de una cubierta de forma hemisférica en forma de dona 68 y 70. El cilindro exterior de doble pared 32 del intercambiador de calor 30 se une en su extremo inferior al colector externo inferior 42,y tiene colocadas unas tuberías 58, cuya función será tanto la de soportar el peso de los intercambiadores de calor 32 y 34, como servir de elemento de conducción del refrigerante, así como la conducción de señales de los sensores de temperatura y están unidas en sus extremos inferiores contra las paredes laterales de la sección cónica 16 . Por otra parte las tuberías 50 y 52, tienen como función, soportar el peso del intercambiador de calor 34 y además servir para la conducción del refrigerante del intercambiador 32 al 34. La conducción del refrigerante de el intercambiador 32 al 34 también puede efectuarse por el conducto 56 en la parte inferior y la evacuación en la parte superior por el conducto 50 . Además en la sección del colector externo superior 40, se cuenta con las tuberías de soporte 60, colocadas también de manera equidistante y las cuales se unen en sus extremos a la pared del cuerpo 14, cuya función además de mantener en posición el cambiador de calor 30, servirán para salida del refrigerante, y para la conducción de señales de los sensores de temperatura . Las tuberías de soporte tanto las inferiores 52 y 58, como las superiores 50 y 60 son al menos tres en cada sección, distribuidas de manera equidistante. Por una o varias de las tuberías 58, o bien por la tubería 74 circulará el refrigerante al colector externo inferior 42, para dirigirse por la chaqueta 32 y de ahí al colector externo superior 40, para de ahí transferirse a través de los conductos 60 al exterior de tanque fermentador. De la misma manera, a través de los conductos 56 y 52, circulará el refrigerante al
colector interno inferior 46, para dirigirse por la chaqueta 34 y de ahí al colector interno superior 44, para de ahí por cualesquiera de los conductos 60, evacuar el refrigerante al exterior del tanque fermentador, para su recolección.
Mediante el intercambiador de calor 30 propuesto, en la sección cónica 16, se produce una corriente interna más vigorosa del mosto, proveniente del espacio concéntrico que forman los conjuntos de las chaquetas 32 y 34, provocando una turbulencia en el fondo, (véase figura 2) por lo cual no se hace necesaria la instalación de una chaqueta exterior 72 sobre la pared externa cónica 16, como en los sistemas convencionales, ya que, adicionalmente se puede ajustar la distancia inferior de los cilindros, con relación al fondo. Esta movilización es deseada para que la mayor parte del mosto esté en contacto con la levadura y pueda llevare a cabo la reacción biológica mas fácilmente, para obtener la cerveza. El efecto anterior también aplica durante la etapa de enfriamiento eliminando la necesidad de burbujeo de bióxido de carbono, en los sistemas tradicionales, que lo utilizan para incrementar el coeficiente de transmisión.
Las purgas de aceite, en el caso de utilizar amoníaco como refrigerante, son externas al tanque utilizándose para el drenado cualesquiera de los tubos de soporte 58. También el equipo se ha dotado de líneas de purga de aire 24, cuya función será la de expulsar el aire que se acumule dentro de los colectores del intercambiador de calor 30, para el caso de utilizar glicol como refrigerante.
Los requerimientos de limpieza son muy importantes, para evitar infecciones biológicas no deseables, esto se logra primero: fabricando los sistemas de intercambio, con alto grado de pulido en las superficies de los intercambiadores y sus partes, para que e desprendimiento de levaduras, residuos, espuma, cerveza sea rápido al utilizarse las soluciones detergentes. El diseño mecánico del intercambiador de calor 30, es tal que durante la limpieza, toda la superficie de los mismos queda en contacto con los líquidos de limpieza. Un sistema de distribución de las soluciones de limpieza esta formado por una turbina central de limpieza 22 de alta presión y flujo, y de al menos cuatro auxiliares, una de ellas en la parte inferior del intercambiador 30; que limpian las paredes interiores del tanque fermentador 10, así como las superficies del intercambiador de calor 30, lográndose una limpieza eficiente sobre la base del flujo, la fuerza de choque en las paredes, los ciclos y concentraciones de limpieza; así como al patrón de flujo, además de ser un sistema desmontable par inspección y mantenimiento, además de integrar sensores que detectan los movimientos de flujo en las turbinas para garantizar la limpieza, dichas turbinas 22 se han seleccionado para auto-limpiarse entre sí de modo de asegurar una limpieza de amplio espectro.
Por otra parte, los sensores de temperatura 66, pueden instalarse en el interior del tanque fermentador en cualquier posición en los tubos de alimentación o evacuación 58,74 y 66, conduciendo las señales en su interior, esto permite un mejor control de la temperatura, que la instalación únicamente en las paredes del tanque fermentador en sistemas tradicionales. Como una modalidad de la presente invención, el intercambiador de calor 30, puede estar formada de un múltiplo mayor de chaquetas como aparece en la figura 8, o bien formar un haz de chaquetas como se aprecian en las figuras 9 y 10, pudiendo también unirse estas chaquetas tal y como se representan en la figura 14.
También se ha previsto el empleo de aletas de distribución 60, consistentes en placas deflectoras para asegurar un contacto más íntimo e intercambio de calor tal y como se aprecian en las figuras 16 y 17, o chaquetas radiales 68 intermedias entre las chaquetas de los tubos 32 y 34.
Finalmente, dependiendo del tipo de fermentación que se quiere efectuar, el intercambiador de calor 30, puede tener diferentes dimensiones en el largo de las chaquetas exteriores 32 y de las chaquetas interiores 34 como puede apreciarse en las figuras 20 a 26.
Es decir, que la presente invención tiene la versatilidad de poderse adaptarse a cualquier proceso de fermentación de líquidos, y en diferentes capacidades y geometrías de fermentadores, aun en fermentadores convencionales existentes, para su modernización, no importando si estos cuentan con chaquetas exteriores ya instaladas.
MEJOR MANERA DE LLEVAR A CABO DE LA INVENCIÓN
El fluido refrigerante puede ser de cualquier tipo, es decir, puede ser un líquido con un índice de evaporación alto, o bien, un líquido el cual no sufre un notorio cambio de estado físico o líquido con sólidos con y sin cambio de estado.
La alimentación del refrigerante indistintamente puede hacerse por la parte superior 60, o por la parte inferior 58 y 56, del intercambiador de calor 30.
Así para el caso por ejemplo de amoníaco, o cualquier refrigerante líquido-gas, la alimentación puede ser por la parte inferior o bien por la superior, mientras si se trata de sistemas líquidos como glicoles, la alimentación debe ser por la parte inferior.
Sea cual fuera, la alimentación, su salida será siempre opuesta, esto es, sí una es por la parte superior la otra es por la inferior y viceversa. Esto dependerá del tipo de refrigerante empleado, sin embargo, sin importar cual refrigerante sea el usado, el sistema no se ve alterado.
La decisión de cual usar está en manos del usuario.
Estando el tanque fermentador 10 lleno con el mosto a fermentar, el refrigerante entra al intercambiador de calor 30 por ejemplo, por la parte inferior a través de los tubos de soporte 58, o por las conexiones laterales 74, la alimentación puede ser por uno o por todos los tubos, dependiendo del tamaño del fermentador y del proceso empleado, controlándose el flujo por medio de válvulas colocadas externamente a la entrada de la alimentación del refrigerante. Las señales de información para el control de temperatura se efectúan por medio de los sensores 66, que en el caso de la presente invención, pueden ser instalados en el interior del tanque para tener lecturas, y control de la fermentación más preciso, a diferencia de los sistemas convencionales, en que los sensores son instalados en la pared del tanque fermentador.
Una vez que el refrigerante entre a los distribuidores 42 y 46. Cada uno alimentara a las chaquetas concéntricas 32 y 34, y dará comienzo su inundación, y conforme sé de la evaporación del refrigerante, esto es, cuando reciba la energía en forma de calor del mosto o cerveza, el vapor será recibido por los colectores superiores 40 y 44, que tienen un diseño interno incluido como parte de este documento para permitir una adecuada recolección del refrigerante empleado que lo conducirán a la tubería de salida del tanque por los tubos 60 utilizados también como soportes del intercambiador de calor 30 para mantenerlo en posición dentro del tanque. El refrigerante tipo liquido-gas, por ejemplo amoniaco puede también alimentarse por la parte superior, el flujo se invierte, el único cambio es el tipo de distribuidores a emplearse.
Para el caso de usar un refrigerante liquido, por ejemplo glicol, la alimentación es por la parte inferior 42 y 46 y la salida por la parte superior a través de los colectores externos superiores 40 y 44, con diseño especial para este tipo de refrigerante, en este caso a los colectores superiores 40 y 44, se les ínstala un sistema de venteo y purga de aire 24, necesario para un funcionamiento adecuado.
Por el lado del mosto y la cerveza habrá la formación de corrientes descendentes y ascendentes así como circulares como se indica en la figura 2. debido al los cambios de densidad y viscosidad del mosto o de la cerveza. Estos cambios en la circulación del líquido son diferentes a los producidos cuando se enfría solamente por las paredes del tanque. En el nuevo sistema se presenta una mayor turbulencia debido la distribución del intercambiador vertical interno 30, dentro del tanque de fermentación 10, permitiendo que una mayor parte del mosto o cerveza esté en contacto con la superficie enfriadora induciendo así una mayor homogenización de la temperatura de fermentación, por lo que se produce menos cerveza fermentada a diferente
temperatura y por lo tanto un mejor control de la calidad de ella.
La evacuación del refrigerante usado del intercambiador de calor 30, se hace por medio de los colectores superiores 40 y 44 de ellos hacia fuera del tanque de fermentación 10 por una o más tuberías 60 y 54 dependiendo del volumen a extraer y si la alimentación es superior o inferior.
Para el caso de utilizar como refrigerante, glicol o hielo dinámico, también el sistema de control es similar a los convencionales, utilizando válvulas de cierre rápido on-off para el control de alimentación y salida del refrigerante, así como válvulas de seguridad calibradas y venteos internos para purga 24 dirigidos y operados desde el domo 12, donde también se instalan las válvulas de control y vacío 26.
Claims
REIVINDICACIONES
Habiendo descrito la invención se considera como una novedad lo descrito en la invención propuesta y por lo tanto se reivindica como de nuestra propiedad lo contenido en las siguientes declaraciones. 1. Intercambiador de calor vertical interno, el cual se instala en un tanque feπnentador, destacándose en éste, tres secciones principales: una tapa superior de tipo abombada, un cuerpo de forma cilindrica y una sección o fondo de forma cónica, en cuyo extremo final aparece una válvula, además de que sobre la pared externa puede llevar una chaqueta de enfriamiento , aislándola, así como el resto del tanque. Hacia el interior del tanque, se presenta un intercambiador de calor, colocado de manera centrada y verticalmente, cuya función será la de enfriar el mosto y la cerveza, manteniéndolos dentro del rango de temperatura deseada, quedando él intercambiador de calor unido y soportado al tanque por medio de tuberías que a la vez, sirven de conducto para el refrigerante; así como también tuberías de interconexión dentro del intercambiador de calor, así como tuberías de venteo y turbinas de limpieza y válvulas de control de presión y alivio, y caracterizado porque dicho intercambiador de calor, se encuentra dispuesto por un conjunto de dos cilindros rectos concéntricos de doble pared y los cuales forman el cilindro exterior, unido en cada uno de sus extremos a unas chaquetas en forma de dona, formando unos colectores externos, colocados en cada extremo del cilindro, repitiéndose este conjunto para formar también un cilindro interior, con dos colectores, superior e inferior, teniendo estos en ambos casos, la función de distribuir mejor el refrigerante y a la vez, servir de cámara para la distribución y extracción del refrigerante. El cilindro interior se soporta en el cilindro exterior por medio de unas tuberías.
De los colectores tanto externos como internos, colocados en los tubos concéntricos cerrados en sus extremos, llevando una multiplicidad de orificios localizados en la periferia de dichos extremos y confinados por medio de unas cubiertas de forma hemisférica en forma de dona, que funcionan como cámaras distribuidoras o extractoras de refrigerante, según sea su ubicación.
De unas tuberías soporte tanto inferiores como superiores, colocadas en forma lateral y unidas en los extremos a la pared del tanque, y a los colectores externos superiores e inferiores, cuya función será tanto la de mantener el intercambiador de calor en posición central, como servir de elemento de conducción del refrigerante, y señales de los sensores de temperatura.
De unas tuberías de soporte para unir los dos cilindros concéntricos, colocadas también de manera equidistante cuya función además de soportar el cilindro interior contra el exterior, servirán para la conducción del refrigerante si así se desea;
De unas tuberías de interconexión, éstas unen el cilindro de doble pared externo con el cilindro de doble pared interno, distribuidas de manera equidistante. El intercambiador de calor se soporta a su vez sobre al menos de tres tuberías, colocadas de también de manera equidistante para una mejor distribución del peso del intercambiador, y fijadas sobre el cono del tanque.
De unas tuberías de salida, las cuales se proyectan hasta las paredes de la parte cónica partiendo de la parte inferior del colector externo.
De unas líneas de purga para el desalojo de aire cuando se usa glicol como refrigerante.
De unas turbinas de limpieza, formado por unas turbinas de alta presión y flujo; colocadas adecuadamente por dentro de la tapa abombada, cuya función será la de limpiar las paredes interiores del tanque fermentador, así como las superficies del intercambiador de calor, seleccionadas para auto-limpiarse entre sí de modo de asegurar una limpieza de amplio espectro.
2. Intercambiador de calor vertical interno, reivindicado conforme a la cláusula uno, además caracterizado porque la tapa superior del tanque, es abombada, cuya función será la de mantener un espacio suficiente para almacenar los gases formados durante el proceso de la fermentación
3. Intercambiador de calor vertical interno, reivindicado conforme a la cláusula uno, además caracterizado porque el cuerpo y cono del tanque de fermentación, pueden llevar una chaqueta de enfriamiento colocada al exterior.
4. Intercambiador de calor vertical interno, reivindicado conforme a la cláusula uno, además caracterizado porque el intercambiador de calor cuenta con colectores colocados en los extremos de los cilindros rectos concéntricos de doble pared formado una chaqueta, por cuyo interior circulará un refrigerante para mantener el mosto de la cerveza y la cerveza dentro de los rangos de temperatura deseados y cuya función es servir de cámara para distribuir o evacuar el refrigerante.
5. Intercambiador de calor vertical interno, reivindicado conforme a la cláusula uno y anterior, además caracterizado porque el cambiador de calor cuenta con elementos de seguridad consistentes en válvulas de seguridad y de control calibradas y colocadas en el exterior del tanque. Y para el control de presión y vacío del tanque se tienen válvulas calibradas instaladas en el exterior del domo del tanque. Y para purga de aire, en el caso de usar glicol como refrigerante, líneas instaladas entre los colectores superiores y el domo del tanque..
6. Intercambiador de calor vertical interno, reivindicado conforme a la cláusula uno, además caracterizado porque como una modalidad, el intercambiador de calor, puede estar formado de un múltiplo mayor de chaquetas o bien formar un haz de chaquetas pudiendo también estar unidas entre sí.
7. Intercambiador de calor vertical interno, reivindicado conforme a la cláusula uno, además caracterizado como modalidad de la invención el intercambiador de calor puede llevar aletas radiales, consistentes en placas deflectoras para asegurar un mayor contacto para el intercambio de calor, o bien chaquetas radiales intermedias colocadas éstas entre los cilindros que forman el intercambiador.
8. Intercambiador de calor vertical interno, reivindicado conforme a la cláusula uno, además caracterizado como modalidad, el intercambiador de calor, puede tener diferentes dimensiones en el largo de los cilindros de doble pared interiores y exteriores.
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