Как улучшить процесс пивоварения с помощью моделирования

Fabrice Schlegel 26/09/2014
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on LinkedIn

На пивоварение можно посмотреть с двух точек зрения: кулинарной и инженерной. Любители пива начинают варить его сами, чтобы улучшить рецептуру, воспроизвести свой любимый сорт пива или просто научиться этому ремеслу. Однако после первых проб оказывается, что пивоварение — это сложная инженерная задача.

Самое время для пива

Я пишу эту статью в пятницу после длинной и плодотворной недели. Как и я, вы, вероятно, выбираете, какой сорт индийского светлого эля заказать вечером к кукурузным чипсам. Благодаря недавнему всплеску интереса к крафтовому пиву в США у нас есть очень большой выбор сортов. Впрочем, мы можем и не полагаться на небольшую местную пивоварню, а сделать следующий шаг — варить пиво самостоятельно.

Стакан пива.

В этой статье мы быстро научим вас основам пивоварения и объясним, как улучшить этот процесс с помощью методов вычислительной гидродинамики. Основная проблема — максимально быстрое охлаждение двадцати литров кипятка. Впрочем, начнем с основ.

Основы пивоварения

Сама процедура достаточно проста. Если вы умеете заваривать чай, то и с пивом справитесь.

Вот семь шагов, которым я следую.

  1. Для начала мы замачиваем перемолотый осоложенный ячмень в горячей воде при температуре 65–70°C в течение часа. В домашних условиях ячмень замачивают в посуде с хорошей теплоизоляцией, чтобы температура смеси была постоянной. Замачивая ячмень, мы разлагаем крахмал до сахаров, чтобы подготовить питательную среду для дрожжей на стадии брожения.
  2. Через час получившуюся жидкость (сусло) переливают в чайник и кипятят час (сильно охмеленные сорта индийского светлого эля — до двух часов). Во время кипячения добавляют хмель. Если добавить его в начале кипячения, пиво получается более горьким, а хмель, добавленный позже, придает пиву столь любимый нами хмельной вкус. Самое охмеленное пиво получится, если добавить еще хмеля после кипячения или через несколько дней после начала брожения. Хмель также играет роль консерванта.
  3. После этого мы как можно быстрее охлаждаем сусло и добавляем дрожжи для начала брожения.
  4. Придется подождать несколько дней, пока дрожжи творят чудеса.
  5. По истечении некоторого времени мы добавляем сахар, разливаем пиво по бутылкам и даем ему имя. Давайте назовем его «Комсолод 1.0».
  6. Еще один скучный этап… Мы выжидаем несколько недель, пока добавленный сахар насыщает напиток углекислым газом.
  7. Наконец, мы можем попробовать наше пиво на вкус, похвастаться перед друзьями и повторить все заново.

Это обычная последовательность действий. Но зачем останавливаться на обычной методике когда можно улучшить этот процесс? Почти все перечисленные этапы можно оптимизировать с помощью численного моделирования. Начнем с самого важного — охлаждения сусла на Шаге 3.

Как охладить двадцать литров сусла как можно быстрее?

На этом этапе нужно охладить кипящее сусло как можно быстрее по нескольким причинам.

Во-первых, охлаждение необходимо, чтобы сохранить дрожжи. Во-вторых, быстрое охлаждение предотвращает появление в сусле серосодержащих соединений и других примесей, которые могут придать готовому пиву неприятный привкус. Наконец, осаждение некоторых белков происходит только при резком перепаде температур.

Не будем вдаваться в подробности и сосредоточим свои усилия на инженерной стороне этой задачи. Обычная установка для пивоварения в домашних условиях рассчитана на 20–40 литров. В промышленных установках осуществить быстрое охлаждение сусла еще сложнее из-за больших объемов.

Несколько идей

1. Добавить в чайник лед

Я видел на YouTube рекомендацию бросить в кипящий чайник лед. Я бы не советовал этого делать: так вы можете внести в пиво примеси и разбавить его.

2. Поставить чайник в ледяную баню

Можно поставить кипящий чайник в кухонную раковину, наполненную льдом. Это самый дешевый способ, но не самый эффективный. Вы можете сами в этом убедиться с помощью интерфейса Conjugate Heat Transfer (Сопряженная теплопередача), входящего в модуль Вычислительная гидродинамика и модуль Теплопередача.

Охлаждение чайника в ледяной бане можно моделировать по примеру учебной модели Free Convection in a Water Glass (Естественная конвекция в стакане воды) из Галереи моделей.

Модель естественной конвекции в стакане воды.
Естественная конвекция в стакане воды.

Эта модель позволяет проанализировать естественную конвекцию и теплопередачу в стакане холодной воды, нагреваемой до комнатной температуры. Стакан с водой с начальной температурой 5 °C ставят на стол в комнате при температуре 25°C. Задачу охлаждения кипящего чайника можно решить таким же образом, задав начальную температуру сусла равной 100°C, а температуру внешней стенки — 0°C.

3. Использовать охлаждающий теплообменник для сусла

Альтернативный способ охлаждения сусла подразумевает использование теплообменника. Самый простой теплообменник состоит из длинной спиралевидной трубки, которую погружают в чайник после кипячения. Затем через трубку пропускают воду из-под крана, чтобы охладить сусло.

На рисунке показан теплообменник для сусла, который можно использовать в домашних условиях.
Схема охлаждающего теплообменника для сусла.

Судя по геометрической форме, модель теплообменника для сусла очень похожа на модель теплообменного контура геотермальной системы отопления:

Модель теплообменного контура геотермальной системы отопления.

В этой учебной модели водоем используется как тепловой резервуар, а теплоноситель циркулирует под водой по замкнутому полиэтиленовому трубопроводу. Модель позволяет установить, сколько тепла передается от водоема к теплоносителю, текущему по трубам. Для этого используется интерфейс Non-Isothermal Flow (Неизотермический поток) и решаются уравнения, описывающие распределение температуры и поле течения жидкости в трубопроводе.

В физическом интерфейсе Pipe Flow (Течение в трубопроводах) трубы моделируются одномерными линиями, а не трехмерными объектами, что значительно снижает сложность расчета такой модели. На рисунке ниже показан вариант конструкции теплообменника для сусла, погружаемого в кипящий чайник, а также поле температуры внутри труб:

Температура внутри труб теплообменника для сусла, погруженного в кипящий чайник.

Чтобы добиться быстрого охлаждения сусла, мы также можем совместить второй и третий метод, а именно погрузить теплообменник в чайник, стоящий в ледяной бане.

4. Использовать пластинчатый теплообменник

Кроме этого, мы можем использовать пластинчатый или противоточный теплообменник. Теплообменник — это устройство, передающее тепло от одной текучей среды к другой. Холодная вода используется как охладитель и нагревается, в то время как сусло охлаждается. На рисунке ниже показан пластинчатый теплообменник.

В пивоварении пластинчатые теплообменники используют для охлаждения пива.
Пластинчатый теплообменник, охлаждающий пиво в небольшой местной пивоварне.

Такие теплообменники широко используются благодаря своим малым размерам. Многие пивовары также используют противоточные теплообменники.

Геометрия кожухотрубного теплообменника.

Вы можете создать модель такого устройства, следуя указаниям модели Shell-and-Tube Heat Exchanger (Кожухотрубный теплообменник), в которой показаны основные принципы настройки модели теплообменника. В этой модели две отдельные текучие среды с разными температурами протекают через теплообменник: одна — по трубам, а другая — внутри кожуха, окружающего трубы.

С помощью теплообменника можно быстро и эффективно охладить сусло. И действительно, большая часть тепла от сусла передается воде. Эту воду потом можно использовать для замачивания следующей партии осоложенного ячменя. Таким образом мы избежим траты энергии впустую!

Теперь вы можете улучшить свои навыки пивовара, используя численное моделирование

В этой статье мы обсудили процессы сопряженного теплообмена, моделирование трубопроводов и теплообменников. Я советую вам попробовать эти приемы моделирования в COMSOL Multiphysics и найти самый удобный для вас. Вы можете настроить и рассчитать эти модели с помощью модуля Вычислительная гидродинамика, модуля Теплопередача и модуля Течение в трубопроводах.

После столь тщательного моделирования ваше пиво должно получиться вкусным и, скорее всего, ваши друзья попросят добавки. Пора расширить производство и взять бак-смеситель побольше, чтобы его уже не приходилось перемешивать вручную. Модель бака-смесителя можно создать с помощью модуля Миксер — расширения для модуля Вычислительная гидродинамика, позволяющего моделировать смесители и реакторы с перемешиванием.

Модель турбулентного смесителя.
Модель турбулентного смесителя с трехлопастным импеллером. В этой модели также рассчитывается форма свободной поверхности.

С вопросами о моделях, описанных в этой статье, обращайтесь к нашей технической поддержке. Если вы не пользуетесь COMSOL Multiphysics, но хотите больше узнать о нашем программном обеспечении, свяжитесь с нами, заполнив эту форму, — мы будем рады ответить на ваши вопросы.


Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги

3D печать Cерия "Гибридное моделирование" Введение в среду разработки приложений Видео Волновые электромагнитные процессы Глазами пользователя Графен Интернет вещей Кластеры Моделирование высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах Модуль AC/DC Модуль MEMS Модуль Акустика Модуль Волновая оптика Модуль Вычислительная гидродинамика Модуль Геометрическая оптика Модуль Динамика многих тел Модуль Композитные материалы Модуль Коррозия Модуль Механика конструкций Модуль Миксер Модуль Нелинейные конструкционные материалы Модуль Оптимизация Модуль Плазма Модуль Полупроводники Модуль Радиочастоты Модуль Роторная динамика Модуль Теплопередача Модуль Течение в трубопроводах Модуль Трассировка частиц Модуль Химические реакции Модуль Электрохимия Модуль аккумуляторов и топливных элементов Охлаждение испарением Пищевые технологии Рубрика Решатели Серия "Геотермальная энергия" Серия "Конструкционные материалы" Серия "Электрические машины" Серия “Моделирование зубчатых передач” Сертифицированные консультанты Технический контент Указания по применению физика спорта