pondělí 12. srpna 2024

Pokročilé vybavení: Parní kondenzátor

Chmelovar v uzavřeném prostoru aneb kam s tou párou... 

Chmelovar je jedním z nejtypičtějších projevů vaření piva. Každého asi napadne typická palčivá vůně (či smrad?), ale z praktického hlediska z 20 litrů vařené mladiny doma vyvaříme obvykle kolem 10 procent objemu neboli 2 litry. Z těchto dvou litrů však vznikne 3400 litrů páry... asi uznáte, že to je vcelku hodně vodní páry. Ale kam s ní?

Ne každý z nás vaří v kuchyni pod digestoří a běžná kuchyňská digestoř nemusí ani stačit. Pokud vaříte v uzavřeném prostoru, existuje ještě další možnost, i když zatím ne příliš častá. Parní kondenzátor.






Parní kondenzátor ve velkých pivovarech

Parní kondenzátor, nebo také kondenzátor brýdových par, je v prostředí velkého pivovaru naprosto běžnou technologickou pomůckou. Asi všichni víme, že k vaření vody je potřeba poměrně velkého množství energie. Tato vložená energie je z velké části poté uschovaná ve vzniklé páře, a tak ji lze z části zpět získat, pokud páru opět zkondenzujeme.

Pára vzniklá při varu mladiny je tak odváděna z varné nádoby přes kondenzátor, kde je teplo páry předáno ohřívanému médiu a pára je zkapalněna. Výsledkem je tedy kondenzát a teplo. Kondenzát je obvykle stále teplý, a tak ho lze využít například pro první oplach vybavení pivovaru. Jelikož tento kondenzát obsahuje i nežádoucí látky vyvařené z mladiny, jako je například dimethylsulfid (DMS) a jiné těkavé látky, tak kondenzát nelze použít jako nálev pro příští várku. Získané teplo lze použít např. k předehřevu nálevu pro další várku. Občas se pára nejprve stlačí, aby její teplota dále vzrostla, díky čemuž ji lze využít i v procesech vyžadující vysokou teplotu média. Takto upravenou páru lze využít k ohřevu dekokčního rmutu, nebo třeba i zpětně při chmelovaru samotném.

Tepelný výměník typu "trubka v trubce" jehož formy jsou často využívané v pivovarech jako kondenzátor brýdových par. Obrázek převzat z webu arvengtraining.com

Ve velkém pivovaru je nejčastější kondenzátor, kde jsou pára a ohřívané médium odděleny stěnou, přes které se přenese teplo tohoto procesu. Příkladem je kondenzátor typu trubka v trubce. Představte si skleněný kondenzátor ze školních laboratoří – jen samozřejmě v kovovém provedení, mnohem větší, s více vnitřními trubkami a často mnohem intrikovanějším povrchem a vnitřním rozložením vyladěným pro maximální efektivitu přenosu tepla. Není také výjimkou, když jsou páry chmelovaru odsávány nuceně anebo i stlačeny, k získání vysokotlaké horké páry, která má v rámci tepelného hospodářství pivovaru široké využití.

Schéma možného tepelného hospodářství chmelovaru a vířivé kádě pivovaru. Zásobník teplé vody je napájen jednak z brýdového kondenzátoru a rovněž z chladiče mladiny. Obrázky převzaty z banke.de

Parní kondenzátor v domácích podmínkách

V domácích podmínkách se nám jen stěží podaří k tomuto problému přistupovat jako ve velkém pivovaru. Tepelný potenciál páry vzniklé během chmelovaru zpravidla nemůžeme využít. Obvykle nemáme v procesu další várku, kterou bychom například mohli předehřívat. Zároveň parní kondenzátory typu trubka v trubce dimenzované na naše pidi várky nejsou jednak dostupné a za druhé by to bylo poměrně nákladné.

Existuje však typ parního kondenzátoru, který má v domácích podmínkách potenciál. Jedná se o kondenzátor s přímým vstřikem chladicí vody. Pára je zde zkapalněna stykem s chladnou vodou z trysky. Výsledkem je tedy kondenzát smísený s chladicí vodou, zpravidla bude mít tedy nižší teplotu max kolem 70C. Tuto vodu lze následně využít k prvnímu oplachu vybavení, úklidu, či alespoň na zalití zahrádky.

Pokud je tento systém vhodně navržen, tak proud vody z trysky bude fungovat i jako slabá vodní vývěva, tudíž páry budou do kondenzátoru nasávány nuceně, bez nutnosti dalšího vybavení.

Je třeba si zde uvědomit, že kondenzátor musí být adekvátní pro vaši varnu. Pokud si zakoupíte kondenzátor dimenzovaný na 40 litrovou varnu a osadíte ho na váš 200 litrový hrnec, budete nejspíš zklamáni tím, jak malého odparu dosahujete. Než tedy začnete objednávat součástky či hotové aparáty z internetu, je dobré mít k dispozici způsob, jak si kondenzátor ušít na míru.

Navrhujeme kondenzátor

Pusťme se tedy spolu do pivního inženýrství
Správný návrh kondenzátoru bude rozdíl mezi drahou nefunkční zbytečností a efektivní pomůckou. Pojďme se tedy podívat na to, jak k tomu přistoupit. Začneme trochu odborně, ale slibuji, že se nakonec dostaneme k velmi jednoduchým obecným vzorcům.

Cílem kondenzátoru je zkondenzovat páru, tudíž průtok vody tryskou musí být tak velký, aby tato voda měla dostatečně velký chladící výkon vůči vašemu celkovému odparu. Jedná se tedy vlastně o relativně jednoduchou tepelnou bilanci, pro ty, které je tato věta úplnou "španělskou vesnicí" mám jednoduchou nápovědu…

První termodynamický zákon: Celkové množství energie (všech druhů) izolované soustavy zůstává zachováno.

Ne, teď si vás samozřejmě trochu dobírám, protože jste se do toho nejspíš ještě více zamotali. Hned ale uvidíte, že první termodynamický zákon je vlastně jednoduchý koncept, který nejspíš už dávno chápete.

První termodynamický zákon řečí smrtelníka: Energie, jejíž jednou variantou je i teplo, se nikam neztrácí. Pouze mění formy či se předává mezi různými látkami. Celkové množství však zůstává stejné.

Příkladem ze života budiž rychlovarná konvice. Účelem konvice je ohřát vodu pomocí elektrického proudu (energie). Pokud zanedbáme ztráty tepla do okolí atp., tak teplota vody v konvici vzroste přesně o tolik, kolik elektrické energie konvice spotřebovala. Když tuto myšlenku protáhneme ještě dále. Kdesi daleko v elektrárně využili zdroj tepla, nebo třeba energii vody k roztočení turbíny, která vyrobila elektrickou energii, ta rozvodovou soustavou došla až k vám domů a vy jste si díky ní uvařili vodu na čaj. Vidíte, že v průběhu se forma energie několikrát změnila, ale v důsledku je to pořád ta energie, kterou jsme vyrobili v elektrárně. A všechna ta energie se v jednom okamžiku, pradávno nebo třeba ještě nedávno, nacházela uvnitř slunce. Dalším významným důsledkem tohoto konceptu je pro nás to, že nezáleží na tom, jaká ta energie na začátku byla ani jak přesně se k nám dostala. Abychom věděli, kolik energie potřebujeme k ohřevu vody v konvici, potřebujeme vědět jen množství vody a její počáteční teplotu a samozřejmě odhadnout či zanedbat energetické ztráty. (A pak několik málo fyzikálních konstant.)

V případě našeho kondenzátoru: Teplo páry, které je potřeba odebrat, aby došlo ke kondenzaci, se musí rovnat teplu, které chladicí voda dokáže pojmout. Vzniklý kondenzát nebude logicky odcházet při teplotě varu, ale při teplotě směsi kondenzátu a chladicí vody, tudíž musíme taktéž započíst ochlazení kapalného kondenzátu na teplotu výstupní směsi. Když tedy známe, kolik tepla je potřeba z páry odvést, tak můžeme dopočítat i kolik chladicí vody budeme k tomu potřebovat.

Nebudu vás zde trápit s odvozením vzorce a rovnou se podívejme na výsledek. Nadšenci, kteří by se chtěli podívat na odvození, ať se mě nestydí kontaktovat. Za uvažování několika málo zjednodušujících předpokladů se dostaneme k následujícímu vzorci:


Díky tomu, že řešíme opravdovou situaci nejen hypotetickou úlohu, to můžeme dále zjednodušit dosazením čísel. Jelikož řešíme návrhový výpočet zpravidla zvolíme dosazení čísel, které pokryjí rozumný, avšak nejhorší možný případ. Není dobrý nápad totiž předpokládat nejlepší možné podmínky a navrhnout tak kondenzátor, který bude fungovat pouze za ideálních podmínek. Cílem je vytvořit kondenzátor, který nás nezklame za žádných okolností, které by rozumně mohly nastat a zároveň je vždy lepší mírně předimenzovat nežli poddimenzovat. Po dosazení návrhových hodnot z tabulky a zaokrouhlení tedy dostaneme jednoduchý vzorec:

Tedy například pro velké množství z nás bude adekvátní uvažovat 30 litrů jako původní objem před varem, tudíž:

Budete tedy shánět trysku, která bude mít průtok alespoň 0,6 litrů za minutu. Pokud bude mít více, tak budete vzhledem ke svému objemu plýtvat vodou. Pokud bude mít méně, riskujete, že kondenzátor nebude fungovat. Například nedosáhnete žádaného odparu.


Poznámka: Dostávám dotazy ohledně toho, na kolik je nezbytné se toho koeficientu 2 držet. Jedná se záměrně o odhad, který by měl vždy skončit úspěchem. Pokud například budeme ale uvažovat odpar 7%, teplotu výstupní směsi 85C a vše ostatní z předešlé tabulky, tak nám vujde koeficient rovný 1,0. Je tam tedy rozhodně nějaká vůle, ale vřele doporučuji trysku zakoupit s větším průtokem a raději průtok přiškrtit kohoutem, nežli koupit trysku s malým průtokem, a pak být nešťastný z toho, že vaše udělátko nefungoju, jak má.


Sestavení kondenzátoru

Nebudu zde předstírat, že jsem znovuobjevil kolo, a rovnou přiznám, že sestava je v podstatě okopírovaná od komerčně dostupného řešení od firmy Brewtools. Na jejich webových stránkách dokonce můžete najít i list jednotlivých součástek. Cena originálu je však 300 dolarů. Pokud si ho sestavíte samy a seženete většinu součástek za dobrou cenu například z AliExpress, snadno se dostanete na méně než polovinu. Možností je také místo nerezových součástech s clamp spojkami zvolit mosazné se závity, a pak můžete cenu jistě stlačit ještě níže. Osobně si však myslím, že investice do nerezu a clamp se vyplatí, pokud si ji můžete dovolit.

"Rozborka" kondenzátoru. Z tohoto obrázku by mělo být vcelku snadné pochopit, jak je tohle udělátko složené.

Složení trysky zblízka.
Aby tento kondenzátor dobře fungoval musí být osazený buďto na víku vašeho hrnce, nebo na hrnci samotném. V obou případech je však potřeba, aby víko těsnilo. Poklice jen posazená na hrnci nebude fungovat. Nebude těsnit a pára bude utíkat kolem. Kondenzátor má také značnou váhu, a tak by poklici převrhnul, pokud by nebyla zafixovaná. V mém případě je toto vyřešeno snadno tím, že mám k mému Brewtools hrnci konickou poklici (steam hat), která má těsnění a přezky k zafixovaní na varnu. Na vrcholu kónusu je taktéž clamp spojka ideální k napojení kondenzátoru. Pokud máte varnu z obyčejného hrnce, budete muset ještě navíc vymyslet úpravu víka (či hrnce) tak, abyste měli kam kondenzátor připojit.

Blichmann varianta: https://www.blichmannengineering.com/steam-condenser.html 154 USD

Co se týče rozměru tak na objemy kolem 30 litrů je 1,5 palcové clamp a trubky adekvátní. Pro vetší objemy bych asi sáhl raději po 2 palcových. Seznam součástek naleznete níže a také si sestavu můžete prohlédnout na přiložených obrázcích.

Seznam součástek:

U součástek uvádím i zdroj pro inspiraci. Můžete a nejspíš i v některých případech budete muset shánět z alternativních zdrojů. Uvádím český i anglický název pro jednodušší vyhledávání.

Tryska je velmi důležitá, jednak musí mít ten správný průtok a pak také chcete, aby měla správný tvar. Ideálně plný kónus. Existují trysky tvořící pouze obvod kruhu, úzký kónus, sprchový vzor nebo třeba rovnou linii. Tyto varianty jsou pro náš účel nevhodné, protože potřebujeme, aby proud mlhy zaplnil celý průřez trubky pro efektivní smísení a nasávací efekt.

https://www.amazon.com/dp/B07H1T8X9Q?ref=ppx_yo2ov_dt_b_product_details&th=1










dne

Žádné komentáře:

Okomentovat