Wer hätte das gedacht, dass man sich beim Thema Bierbrauen mit so vielen verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen beschäftigen kann. Manche liegen mir mehr, andere wieder eher weniger. Beim Thema Kühlen auf Anstelltemperatur streift man den Physikbereich Thermodynamik. Ein Thema, das ich noch aus dem Physikunterricht meiner Schulzeit kenne, im Zusammenhang mit Sterlingmotor und den verschiedenen Übergängen, wie adiabatischer Übergang. Bei mir ist aber nur so viel hängen geblieben, dass es drei universelle Grundsätze der Thermodynamik gibt, die ich hier mal in eigenen Worten wiedergeben möchte:
- Energie verschwindet nicht
- Umwandlung einer Energie in eine andere Form ist nie zu 100% möglich
- der absolute Nullpunkt 0°K (-273°C) ist nicht erreichbar
Der 2.) Hauptsatz ist sehr interessant, weil sich aus ihm zum Beispiel ableitet, dass eine Tasse, die herunterfällt und zerspringt, sich nicht wieder zusammensetzt. Danach kann es auch kein Perpetuum mobile geben (ausser man ist Verschwörungstheoretiker). Philosophisch betrachtet, strebt somit das ganze Universum einem niedrigeren Energiezustand zu und zerstrahlt mit der Zeit (absinkern der Entropie).
Es gibt noch einen 0.) Hauptsatz, der besagt, dass die Systeme ein Gleichgewicht mit niedrigstem Energieniveau zustreben. Da Wärme Energie ist und Kälte fehlende Energie ist, strebt die Wärmeenergie oder thermische Energie zum kalten Bereich hin und bildet einen Ausgleich. Auch ist das der Grund, warum uns etwas herunterfallen kann, weil ein angehobener Gegenstand eine höhere potentielle Energie hat, als seine Umgebung. Der Kühlschrank kühlt dadurch, dass er die Wärme darin heraustransportiert. Kälte ist also nichst anderes, als fehlende thermische Energie.
Nun gut, was hat das nun mit Bierbrauen zu tun. Nach dem Würzekochen, will man die ca 90°C heisse Würze schnellstmöglich auf Anstelltemperatur für die Hefe bringen. Je nach Hefeart ist das meist 20°C (Obergärig) oder 10°C (Untergärig). Man kann die Würze über Nacht abkühlen lassen, was die Gefahr der Kontamination erhöht, oder sehr schnell mit einem Kühlgerät. Bisher hab ich im kleinen Sudbereich eine Kühlspirale vewendet, die in der Würze lag und mit kaltem Wasser aus dem Gartenpool im Kreislaufverfahren versorgt wurde. Im WInter waren das 4°C und im Sommer eher so 28°C. Die Erwärmung des Pools kann man bei 40 Kubikmeter vernachlässigen. Somit sollte idealerweise nach langem Durchlaufen eine Mischtemperatur von 4°C bzw. 28°C erreicht werden, wenn man dabei die Würze hin und wieder etwas umrührt.
Früher hat man in Brauereien grosse Kühlschiffe verwendet, also grosse flache Bottiche, die die Würze breit verteilt haben, um möglichst viel Fläche und damit breiten Kontakt zur kälteren Luft zu ermöglichen, um ein Wärmegleichgewicht zu erzeugen. Da kältere Luft immer nachströmt, kann hier allein von Abwärme der Würze gesprochen werden. In größeren Brauereien wird keine Kühlspirale und auch keine Kühlschiffe mehr verwendet, sondern meist grosse Wärmetauscher. Dabei durchströmt die Würze viele dünne Platten und kommt feinverteilt ebenfalls mit einem kälteren Medium, meist Wasser in Kontakt. Die Plattenanzahl und Größe bestimmt hier die Kontaktfläche. Fälschlicherweise denkt man bei Würzekühler, dass dieser durch die Abwärme mit der Umgebung, wie zB. ein PC Lüfter funktioniert, doch die Abwärme kann hier eher vernachlässigt werden. Gekühlt wird allein mit der Kontaktfläche der Würze zum kalten Wasser.
Der Plattenkühler hat vier Anschlüsse. Jeweils zwei der Anschlüsse sind innen miteinander über die Platten verbunden. Davin ist jeweils ein Anschluss für den Einlauf eines Mediums gedacht und ein andere für den Auslauf. Zu kaufen gibt es zwei unterschiedliche Arten von Plattenkühler. EInmal festverslötete Platten- und zerlegbare Plattenkühler. Die festverlöteten Plattenkühler sind relativ günstig in der Anschaffung, dafür sind sie aber nicht zerlegbar, was ein Nachteil für die Reinigung ist, da diese dann aufwendig länger mit scharfen Reinigungsmitteln mit einer Pumpe im Kreis durchströmt werden müssen. Die zerlegbaren Plattenkühler können, wie der Name schon sagt die einzelnen Platten zerlegt werden und dynamisch Platten hinzugefügt werden und somit die Kontaktfläche erhöht bzw. erniedrigt werden kann. So hat es den Vorteil, dass diese Platten leichter gereinigt und ausgetauscht werden können. Allerdings hat dies seinen Preis, der für eine kleine Brauerei schon erheblich sein kann. Doch das Prinzip des Wärmetauschens ist bei beiden gleich.
Von der Arbeitsweise mit einem Plattenkühler gibt es zwei Varianten, Gleichstrom oder Gegenstrom. Bei Gleichstrom strömen die Würze und das Kühlmedium Wasser im engen Kontakt durch die Plattenfläche. Am Eingang haben beide noch unterschiedliche Temperaturen |T1wasser – T1würze| > 0°, während am Ausgang sich idealerweise beide Medien einer Mischtemperatur angenähert haben |T2wasser – T2würze| = 0° (T1:=Eingang, T2:=Ausgang). Anders ist dies im Gegenstromverfahren. Hier fliessen kaltes Wasser und heisse Würze in entgegengesetzter Richtung. Damit erreicht man, dass die Würze am Ausgang unter die Temperatur vom Asusgang Wasser bekommt T2würze < T2wasser. Deswegen ist nur dieses Verfahren interessant und so werden diese Wärmetauscher am effektivsten im Gegenstrom betrieben.
Die Frage, die sich jetzt natürlich mir stellt ist, wie groß muss mein Wärmetauscher sein, um meine Würze in einer gewissen Zeit herunterkühlen zu können. Faktoren, die da hineinspielen sind einmal die Fließgeschwindigkeit, die Wärmekapazität der beiden Medien Würze und Wasser, sowie Temperaturen. In der Physik spricht nach der Zeit abgeleiteten Energie von Leistung, also einem Strom durch den Kühler, von der Wärmemenge Q pro Zeit dT wird Wärmestrom genannt mit der Einheit Watt. Diese Wärmemenge wird von der Würze in einer gewissen Zeit abgegeben und idealerweise vom kälteren Wasser aufgenommen:
Q = m * cp * dT = Vs * ρ * cp * dT; Qwürze = Qwasser
Q := Wärmestrom ( W )
m := Massenstrom (kg/s)
cp := spezifische Wärmekapazität (J/(kg*K))
dt := Temperaturdifferenz (°C)
Vs := Volumenstrom (m³/s)
ρ := Dicht (kg/m³)
Für Wärmetauscher gibt es dann noch eine speziellere Formel:
Q = k * A * dTmLog
k =Wärmedurchgangs Koeffizient (W/(m²*K))
A = Austauschfläche (m²)
dTmLog = mittl. logarithmische Temperaturdifferenz (K) = (dTmax – dTmin) / ln(dTmax – dTmin)
Für den Wärmestrom Q‘ (Q abgeleitet nach der Zeit) hat Jan Brücklmeier für das Braumagazin sich die Mühe gemacht und eine hinreichend genaue Vereinfachung dafür aufgestellt: Q‘würze[W] = 0,0676 * V[l] * (T1start[°C] – T2ende[°C]) / t[min]
Die Leistung, die dabei herauskommt wird auch bei manchen Gegenstromkühlern angegegeben. Da Q‘würze[W] = Q‘wasser[W] ist, kann nun der Gegenstrom bestimmt werden. Hier kann man zum Beispiel am Volumenstrom vom Wasser drehen, also schneller Wasser durchpumpen, oder die Temperatur des Kühlmediums ändern. Die Wärmekapazität bleibt gleich, da nur Wasser als Kühlmedium zur Verfügung steht.
Für den Betrieb eines Würzekühlers werden folgende Gegenstände benötigt:
Lebensmittelechter PVC Schlauch dInnen=13mm L = 10m
4x Gardena Hahnverbinder mit G3/4″ mit Gardena Kupplung mit 1/2″ Schlauchanschluß
Gardenakupplungen mit Doppelschlauchendkopplung
Pumpe vom Nachgusstopf kann auch als Würzepumpe verwendet werden.
Tauchpumpe 3000L/h Förderhöhe=3m
Um einen Gardenaadapter anschließen zu können, braucht es ein Reduziernippel AG1/2″ auf AG3/4″
Für die Pumpe braucht es dann noch Gardena Schlauchanschluss G3/4″
Die Gardena G3/4″ Anschlüsse werde auf den Gegenstromkühler aufgeschraubt.
Eine Beschriftung der Ein- bzw Ausgänge ist für zulünftige Anwendungen nützlich. Schon allein deswegen, um zu wissen, welchen Durchfluss für die Würze ist, die besonders gereinigt werden sollte.
Es müssen vier PVC Schläuche geschnitten werden. An den Enden kommen die Gardena Kupplungen daran. Es können auch mehr Schläuche so hergestellt werden, die dann beliebig mit den Doppelschlauchkupplungen verbunden werden.
Reduziernippel kommt auf den Pumpenausgang.
Darauf wird die Gardenakupplung verschraubt.
Zunächst wird der Würzepfad gesteckt.
Dann kommt der entgegengesetzt fließende Wasserlauf.
Verkabelt sieht das dann so aus.
Die Pumpe für das Kühlwasser wird in das Becken mit dem kalte Wasser gelegt. Auch der Rückschlauch vom Wasser wird hineingelegt.
Die heisse Würze machen die PVC Schläuche sehr biegsam. Deswegen ist es ganz gut Knickschutz an Biegungen zu befestigen.
Nun kann die Würze gekühlt werden.
Anstatt ins KEG kann auch direkt in einen grossen Gärtank durch den Wärmetauscher gepumpt werden.
Gereinigt werden kann dann der Würzekühler, indem einfach Wasser durch die Würzeleitung gepumpt wird.
Update:
Leider hat sich gezeigt, dass beim Pumpen direkt vom Filtertopf die Würze zu heiss für die schwarze Pumpe (nur bis 60°C) ist. Somit ist es besser die Pumpe nach dem Würzekühler mit einem Schlauchstück anzuschließen. So wird im Endeffekt nur kalte Würze damit gepumpt. Die beigen Pumpen halten aber auch bis 100°C aus.
Links:
https://de.wikipedia.org/wiki/Thermodynamik
https://de.wikipedia.org/wiki/Perpetuum_mobile
https://www.schweizer-fn.de/waerme/waermetauscher/waermetauscher.php
https://simulations-plattform.de/Waermeuebertragung
https://braumagazin.de/article/berechnungen-kuehlung/
https://www.hobbybrauerversand.de/Plattenwuerzekuehler-30-Platten
https://www.amazon.de/OPDUO-Wasserpumpe-F%C3%B6rderpumpe-Aquariumpumpe-19mm-16mm-13mm/dp/B098T3MQPV
https://www.amazon.de/Schlauchanschlu%C3%9F-Hahnanschluss-Wasserhahn-Gartenschlauch-Anschluss/dp/B078WMP182
https://www.amazon.de/CT-St%C3%BCck-Gartenschlauchanschluss-Gr%C3%B6%C3%9Fe-Schlauchanschluss/dp/B07V31YCHB
https://www.amazon.de/Schlauch-Aquariumschlauch-Wasserschlauch-Luftschlauch-Lebensmittel/dp/B08MZ656YX
https://www.amazon.de/VARIOSAN-Reduziernippel-Messing-Trinkwasser-geeignet/dp/B07WJWCDZC
https://zwieselbrau.wordpress.com/2022/01/13/pumpe-fur-nachgusstopf/
https://www.amazon.de/CT-St%C3%BCck-Gartenschlauchanschluss-Gr%C3%B6%C3%9Fe-Schlauchanschluss/dp/B07V1L338X
https://zwieselbrau.wordpress.com/2022/02/27/150l-anlage-garkuhlschrank-und-200l-garfass/
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