Σύστημα Ελέγχου Θερμοκρασίας Αλκοολικής Ζύμωσης

Εισαγωγή

Ένα από τα βασικά στοιχεία μιας επιτυχημένης οινοποίησης είναι η θερμοκρασία στην οποία ζυμώνεται το γλεύκος.

Η αλκοολική ζύμωση είναι μια εξώθερμη διαδικασία με αποτέλεσμα κατά τη διάρκεια της το γλεύκος να αυξάνει την θερμοκρασία του. Η αύξηση αυτή της θερμοκρασίας δεν πρέπει να υπερβεί κάποια όρια τα οποία γενικά είναι 30oC για την ερυθρά οινοποίηση και 20oC για την λευκή. Τα όρια αυτά μπορούν να διαμορφωθούν ανάλογα με τις ιδιαιτερότητες και τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά της κάθε οινοποίησης.

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι να ελέγξουμε την θερμοκρασία της αλκοολικής ζύμωσης. Σε επίπεδο ερασιτεχνικής οινοποίησης χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της θερμοκρασίας εκτός των άλλων τα εξής:

• Ανάδευση του "καπέλου" για απεγκλωβισμό του CO2
• Ανακύκλωση του σε ζύμωση γλεύκους.
• Αερισμός ή/και κλιματισμός του χώρου οινοποίησης.
• Χρήση βρεγμένων λινατσών στα τοιχώματα του δοχείου ζύμωσης.
• Χρήση πάγου.
• Χρήση απλών εναλλακτών θερμότητας.

Κάθε μέθοδος έχει τα πλεονεκτήματα της και τα μειονεκτήματά της, αναλόγως βέβαια και της εφαρμογής και των συνθηκών κάθε οινοποίησης. Για παράδειγμα, η ανακύκλωση του γλεύκους ίσως να είναι αρκετή σε περιπτώσεις που οινοποιούμε σχετικά μικρές ποσότητες άλλα ακόμη και τότε ίσως και να μην αρκεί αν η θερμοκρασία του περιβάλλοντος της οινοποίησης είναι πάνω από το επιθυμητό όριο.

Για τις δικές μου ερασιτεχνικές οινοποιήσεις έχω επιλέξει να ακολουθήσω την τελευταία μέθοδο που κάνει χρήση εναλλακτών θερμότητας. Το μεγάλο πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου - όπως την εφαρμόζω - είναι η συνεχής επιτήρηση της θερμοκρασίας της αλκοολικής ζύμωσης μέσω ενός θερμοστάτη και η ανά πάσα στιγμή έναρξη της ψύξης. Το όφελος είναι ότι μου προσφέρει μια επιτήρηση της θερμοκρασίας της ζύμωσης ακόμη και όταν απουσιάζω απο τον χώρο οινοποίησης λόγω εργασίας κλπ.



Δεδομένα

Το σύστημα θα πρέπει να μπορεί να διατηρήσει την θερμοκρασία της αλκοολικής ζύμωσης εντός κάποιων προκαθορισμένων και ορίων για περίπου 100kg γλεύκους.Η ζύμωση γίνεται σε ανοξείδωτο δοχείο σε ένα χώρο που έχει σταθερή θερμοκρασία 27oC πρωί και βράδυ.

Ο εναλλάκτης θα πρέπει να είναι κατασκευασμένος από ανοξείδωτο χάλυβα κατάλληλο για χρήση σε τρόφιμα.


Το σύστημα ελέγχου της αλκοολικής ζύμωσης μπορεί να εφαρμοσθεί και την λευκή και στην ερυθρά οινοποίηση

Τέλος το κόστος του συστήματος για την κατασκευή και για την λειτουργία του θα πρέπει να κυμανθεί σε λογικά πλαίσια και στα δεδομένα μια ερασιτεχνικής προσπάθειας παρασκευής ποιοτικού κρασιού.




Περιγραφή του συστήματος

Το σύστημα που χρησιμοποιώ κάνει χρήση ενός κλειστού κυκλώματος ανακυκλοφορίας νερού για να μεταφέρει τη θερμότητα από το σε ζύμωση γλεύκος, σε μια δεξαμενή αποθήκευσης ψυχρού νερού. Η μεταφορά της θερμότητας επιτυγχάνεται εμβαπτίζοντας έναν εναλλάκτη θερμότητας μέσα στο ζυμούμενο γλεύκος.

Η ανακυκλοφορία του νερού, ελέγχεται από έναν θερμοστάτη ο οποίος μετρά συνεχώς την θερμοκρασία του γλεύκους και εκκινεί ή σταματά μια μικρή αντλία νερού ανάλογα με το αν αυτή ξεπερνά ή όχι ένα προκαθορισμένο όριο.

Στο πιο πάνω σκαρίφημα φαίνονται τα βασικά στοιχεία του κυκλώματος τα οποία είναι

• Δοχείο αλκοολικής ζύμωσης
• Δοχείο νερού
• Εναλλάκτης θερμότητας
• Αισθητήρια θερμοκρασίας
• Ρυθμιζόμενος Θερμοστάτης
• Σωληνώσεις
• Αντλία ανακυκλοφορίας

Θερμότητα & Ειδική θερμότητα

Τα βασικά μέγεθος που θα μας απασχολήσει για τον υπολογισμό και την διαστασιολόγηση του συστήματος είναι  θερμότητα που παράγεται κατά την αλκοολική ζύμωση του γλεύκους και η ειδική θερμότητα αυτού.

Γενικά το ποσό της θερμότητας που απορροφά ή εκλύει ένα σώμα μάζας εξαρτάται από την μάζα του, την αρχική και τελική θερμοκρασία του και ένα μέγεθος χαρακτηριστικό για κάθε σώμα, την ειδική θερμότητα του (ή θερμοχωρητικότητα).

 Q = mcΔΤ

όπου:

Q : θερμική ενέργεια(σε J)

m : μάζα (σε kg)

c : ειδική θερμότητα (σε J / kg oC)

ΔΤ: διαφορά θερμοκρασίας γλεύκους (σε oC)

Η ειδική θερμότητα ενός σώματος είναι το ποσό της θερμότητας που απαιτείται για να αυξηθεί η θερμοκρασία σώματος μάζας 1kg κατά 1oC.

Στην βιβλιογραφία ο όρος συναντάται και ως θερμοχωρητικότητα.
Όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοχωρητικότητα ενός σώματος τόσο μεγαλύτερα ποσά θερμότητας μπορεί να απορροφήσει για συγκεκριμένη διαφορά θερμοκρασίας.

Η ειδική θερμότητα του γλεύκους

Το γλεύκος αποτελείται από νερό, σάκχαρα και διάφορες άλλες ουσίες σε ποσότητα περίπου 5% ή και λιγότερο. Σε ενα γλεύκος 12οBe περιέχονται περίπου 212gr/lit ζάχαρα. Αν αγνοήσουμε τις λοιπές ουσίες, βλέπουμε οι το νερό αποτελεί το 78,8% περίπου του γλεύκους.

Μετά την ολοκλήρωση της αλκοολικής ζύμωσης το κρασί πλέον αποτελείται από νερό, αλκοόλη (στην περίπτωση του προηγούμενου γλεύκους ~12.5%) και άλλες ουσίες. Αν πάλι αγνοήσουμε τις λοιπές ουσίες, βλέπουμε οι το νερό αποτελεί το 87,5% περίπου του τελικού προιόντος δηλάδή του οίνου .

Και τα ζάχαρα και ή αλκοόλη (αγνοούμε τις λοιπές ουσίες) έχουν ειδική θερμότητα χαμηλότερη από αυτή του νερού. Επομένως μπορούμε με ασφάλεια να θεωρήσουμε ότι η ειδική θερμότητα και του γλεύκους και του κρασιού είναι ίση με αυτή του νερού ( = 4.200 J/kgC) καθ' όλη τη διάρκεια της αλκοολικής ζύμωσης. Με τη θεώρηση αυτή έχουμε εξασφαλίσει ότι όλοι οι υπολογισμοί θα γίνουν με το δυσμενέστερο σενάριο.



Υπολογισμός θερμικής ισχύος αλκοολικής ζύμωσης

Από την βιβλιογραφία προκύπτει ότι η αύξηση της θερμοκρασίας του γλεύκους υπολογίζεται εμπειρικά από την τύπο:

ΔΤ = Be + 3

Δηλαδή η αύξηση της θερμοκρασίας του γλεύκους είναι το αριθμητικό άθροισμα των αρχικών βαθμών Beume του γλεύκους συν 3.

Για να συνεχίσουμε το προηγούμενο παράδειγμα με το γλεύκος των 12Be και για αρχική θερμοκρασία του γλεύκους 25oC τότε η μέγιστη θερμοκρασία του γλεύκους θα ήταν

Τmax = 25+12+3 = 40oC.

Βλέπουμε λοιπόν ότι η αναμενόμενη άνοδος της θερμοκρασίας είναι τέτοια που η εφαρμογή μιας κάποιας ψύξης καθίσταται αναγκαία και για την περίπτωση της ερυθρής και πολύ περισσότερο για την περίπτωση της λευκής οινοποίησης.


Στην βιβλιογραφία - τουλάχιστον αυτή που έχω στην διάθεση μου - γίνεται αναφορά στην αύξηση της θερμοκρασίας του ζυμούμενου γλεύκους ή/και στα ποσά της θερμικής ενέργειας που εκλύονται από αυτή.

Πέραν όμως της τελικής θερμοκρασίας (που εκφράζει το ποσό της εκλυόμενης θερμκής ενέργειας) ως απόλυτο μέγεθος, υπάρχει και άλλο ένα πρόβλημα που πρέπει να αντιμετωπιστεί με ένα σύστημα ψύξης. Αυτό είναι ο ρυθμός ανόδου της θερμοκρασίας  ή αλλιώς η θερμική ισχύς της αλκοολικής ζύμωσης.

Για παράδειγμα. Αν μια αλκοολική ζύμωση εξελίσσεται πολύ αργά τότε είναι πολύ πιθανό η θερμική ενέργεια που εκλύεται από αυτή να "προλαβαίνει" να διοχετευθεί στο περιβάλλον (αν η θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι μικρότερη του γλεύκους φυσικά) μέσω των τοιχωμάτων της δεξαμενής, της απαγωγής του CO2 κλπ.

Αν όμως μία αλκοολική ζύμωση εξελίσσεται με σχετικά γρήγορους ρυθμούς τότε το πιο πιθανό είναι η εκλυώμενη από αυτήν θερμική ενέργεια να μην προλαβαίνει να διοχετευθεί στο περιβάλλον με αποτέλεσμα τη γνωστή αύξηση της θερμοκρασίας του γλεύκους.

Η ισχύς γενικά σαν μέγεθος εκφράζει το ποσό της ενέργειας στην μονάδα του χρόνου. Στην περίπτωση μας η θερμική ισχύς της αλκοολικής ζύμωσης είναι το πηλίκο του ποσού της θερμικής ενέργειας που εκλύεται δια το χρονικό διάστημα που αυτή διαρκεί. Η ισχύς δεν είναι κατ' ανάγκη σταθερή καθ' όλη τη διάρκεια της ζύμωσης.

Για παράδειγμα, κατά την αλκοολική ζύμωση προηγούμενων οινοποιήσεων παρατηρήθηκαν τα εξής:

Αρχική θερμοκρασία γλεύκους: 25oC
Ανώτερη θερμοκρασία γλεύκους: 35oC
Θερμοκρασία περιβάλλοντος: 27oC
Χρόνος ανόδου θερμοκρασίας:48h

Το αναλυτικό γράφημα της εξέλιξης της αλκοολικής ζύμωσης φαίνεται στο παρακάτω γράφημα.

Στο γράφημα φαίνεται καθαρά ότι η έναρξη της αλκοολικής ζύμωσης (αρχή καθόδου μπλε γραμμής) συμπίπτει με την έναρξη ανόδου της θερμοκρασίας του γλεύκους (πράσινη γραμμή). Η άνοδος της θερμοκρασίας παρόλο που παρουσιάζει κάποιες μικρές διακυμάνσεις, γενικά ακολουθεί μια γραμμική πορεία.

Δεδομένης της πολύ μεγάλης ταχύτητας εξέλιξης της αλκοολικής ζύμωσης της χρονιάς αυτής, τα δεδομένα μπορούν με ασφάλεια να γενικευθούν και να χρησιμοποιηθούν στον περαιτέρω υπολογισμό του συστήματος. 
 
Η ενέργεια που εκλύθηκε κατά την αλκοολική ζύμωση συμπεριλαμβάνοντας τις απώλειες για ψύξη προς το περιβάλλον είναι:

Q = mcΔΤ

όπου
m = 100kg
c =  4.200 J/kgC
ΔΤ = 35-25 = 10oC

οπότε:

Q = 100kgr x 4200J/kgC x 10oC = 4.200kJ

Δεδομένου ότι η θερμική αυτή ενέργεια εκλύθηκε μέσα σε 48h η ισχύς της αλκοολικής ζύμωσης ήταν:

W = Q/h = 4.200kJ/48h = 88 kJ/h ή W = 24w


Στην πραγματικότητα η ισχύς της αλκοολικής ζύμωσης αυτής κάθε αυτής, είναι κατά τι μεγαλύτερη. Με τα παραπάνω όμως υπολογίσαμε το ποσό της θερμότητας που δεν μπόρεσε να απομακρυνθεί με φυσικό τρόπο προς το περιβάλλον. Με μια πρώτη ανάγνωση, αυτό είναι το πρώτο ποσό θερμότητας και με αυτόν τον ρυθμό θέλουμε να απομακρύνουμε από το γλεύκος με το σύστημα ελέγχου της αλκοολικής ζύμωσης. Όπως θα δούμε όμως αμέσως μετά δεν αρκεί μόνο αυτό.


Υπολογισμός ισχύος ψύξης από υστέρηση του θερμοστάτη.
 
Ένα δεύτερο ποσό θερμότητας που πρέπει να αντιμετωπιστεί, είναι αυτό που προκύπτει από την υστέρηση του θερμοστάτη. Όπως θα δούμε παρακάτω, για λειτουργικούς λόγους ο θερμοστάτης έχει ένα μικρό εύρος υστέρησης.

Παράδειγμα. Έστω ότι έχουμε ρυθμίσει τον θερμοστάτη στους 28oC. Ο θερμοστάτης θα δώσει εντολή στην αντλία να ξεκινήσει όταν η θερμοκρασία του γλεύκους φτάσει στους +2oC από την θερμοκρασία που έχουμε ρυθμίσει, δηλαδή στους 30oC. Αφού ξεκινήσει η διαδικασία της ψύξης και κατέλθει η θερμοκρασία του γλεύκους, η αντλία θα πάψει να λειτουργεί όταν αυτή γίνει πάλι 28oC.


Το εύρος της υστέρησης είναι ένα μέγεθος που στην κατασκευή του θερμοστάτη μπορεί να προσαρμοστεί σε όποια τιμή θέλουμε. Επειδή ο θερμοστάτης που ήδη έχω φτιάξει έχει αυτή την τιμή θα συνεχίσω τους υπολογισμόυς μου με αυτό ως δεδομένο.

Δεδομένης λοιπόν της υστέρησης, το σύστημα ελέγχου της θερμοκρασίας και πιο συγκεκριμένα ο εναλλάκτης θερμότητας, θα πρέπει να έχει την ικανότητα να επάγει την επιπλέον θερμότητα που το σύστημα άφησε να παραχθεί (για λόγους που ήδη εξήγησα) σε ένα εύλογο χρονικό διάστημα.

Όσο μικρότερο είναι αυτό το διάστημα που θέλουμε να πέσει η θερμοκρασία που πρέπει να πέσει η επιπλέον αυτή θερμοκρασία, τόσο πιο ισχυρός θα πρέπει να είναι ο εναλλάκτης μας. Όσο μεγαλύτερο είναι αυτό το διάστημα, τόσο το γλεύκος μας θα ζυμώνει σε θερμοκρασίες πέραν την επιθυμητής.

Έστω λοιπών ότι το χρονικό διάστημα για την επιστροφή της θερμοκρασίας στα κανονικά επίπεδα είναι μισή ώρα. Η απαιτούμενη επιπλέον ισχύς του συστήματος θα είναι

W = Q/t = mcΔΤ/t = 100kg x  4.200J/kgC x 2oC / 0.5 h = 1.680 kJ/h = 467w

Το συμπέρασμα είναι ότι η απαίτηση σε ισχύ του συστήματος για την απαγωγή της περίσσειας της θερμότητας που αφήνεται να ανεβάσει την θερμοκρασία λόγω της υστέρησης του θερμοστάτη είναι πολύ μεγαλύτερη από την ισχύ της αλκοολικής ζύμωσης αυτής κάθε αυτής.

Συμπέρασμα

Ο εναλλάκτης θερμότητας τον υπολογισμό του οποίου θα κάνουμε αμέσως μετά θα πρέπει να έχει τέτοια διάσταση / απόδοση ώστε να μπορεί να απάγει από το ζυμούμενο γλέυκος 88 kJ/h + 1.680 kJ/h = 1.768kJ/h ή 491w

Για τους υπολογισμούς μας και για λόγους ασφαλείας θεωρούμε ότι η απαιτούμενη από τον εναλλάκτη ισχύς είναι 2.000kJ/h = 555w


Υπολογισμός του εναλλάκτη θερμότητας

Έχοντας υπολογίσει την απαιτούμενη θερμική ισχύ προχωράμε στον υπολογισμό του εναλλάκτη.

Μεταξύ των δύο ρευστών που διαχωρίζονται από την μεταλλική επιφάνεια του εναλλάκτη ισχύει η σχέση

 Q=h*A*ΔΤ*F

Όπου

Q = ρυθμός μετάδοσης της θερμότητας από το ψυκτικό στο ψυχώμενο υγρό

h = Ολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας σε W/ (m2oC)

ΔΤ = η μέση θερμοκρασιακή διαφορά για ολόκληρο το σύστημα του εναλλάκτη

Α = Συνολική επιφάνεια του εναλλάκτη που βρίσκεται σε επαφή με τον γλεύκος.

F = Συντελεστής Διόρθωσης για χρήση μοντέλου διαφορετικό από το πραγματικό.

Παρατήρηση

Αν την παραπάνω σχέση την ανάγουμε στην μονάδα του χρόνου, για να υπολογίσουμε την ισχύ του εναλλάκτη, τότε παρατηρούμε ότι αυτή εξαρτάται (εκτός των άλλων) και από την μέση θερμοκρασιακή διαφορά του συστήματος ή για απλούστευση του συλλογισμού μας από την διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ ψυχρού και ψυχόμενου μέρους. κατά την διάρκεια όμως της ψύξης το ΔΤ μεταβάλλεται οπότε και η ισχύς του συστήματος δεν είναι σταθερή αλλά μειώνεται όσο προχωράει η διαδικασία της ψύξης.

Για να υπολογίσουμε τον εναλλάκτη θερμότητας αρκεί να υπολογίσουμε την απαιτούμενη επιφάνεια Α αυτού από τη σχέση

Α = Q / hΔΤF

Υπολογισμός του Q

Ο ελάχιστος ρυθμός μετάδοσης θερμότητας από το ψυκτικό προς το ψυχώμενο μέσο  (ισχύς ψύξης) θα πρέπει να είναι ίδιος με τον ρυθμό έκλυσης της θερμικής ενέργειας από την αλκοολική ζύμωση (αν θέλουμε να μην έχουμε άνοδο θερμοκρασίας) ή μεγαλύτερος αν θέλουμε να έχουμε πτώση της θερμοκρασίας του εν ζύμωση γλεύκους.

Αν η ψύξη εφαρμοστεί από την αρχή της αλκοολικής ζύμωσης, δηλαδή πριν ακόμη υπάρξει σημαντική άνοδος της θερμοκρασίας του γλεύκους, τότε αυτή η ισχύς (του ψύκτη) θα πρέπει να είναι ίση με την ισχύ της αλκοολικής ζύμωσης επιπλέον του ΔQ που προκύπτει από την λειτουργία του θερμοστάτη, που υπολογίστηκε πιο πάνω δηλαδή 2.000 kJ/h ή 555w.

Υπολογισμός του h

Ο ολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας είναι ένα μέγεθος που μπορεί να υπολογιστεί θεωρητικά κάνοντας ορισμένες παραδοχές. Ένας τέτοιος υπολογισμός για το υπό μελέτη σύστημα έγινε και βρέθηκε ότι ο ολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας είναι 885 W/m2oC.

Η πιο πάνω υπολογιζόμενη τιμή συμφωνεί και με τις τιμές του πιο κάτω πίνακα. Μάλιστα η τιμή του ολικού συντελεστή μεταφοράς θερμότητας βρίσκεται στο κάτω όριο του εύρους των τιμών για ρευστό (νερό με νερό) προσδίδοντας έτσι έναν δεύτερο συντελεστή ασφαλείας στους υπολογισμούς.

 

 

Υπολογισμός του ΔΤ

Για τον υπολογισμό του ΔΤ δυστυχώς θα πρέπει να κάνουμε αρκετές παραδοχές καθώς είναι ένας υπολογισμός που στηρίζεται σε πολλά πειραματικά δεδομένα.

Όταν το νερό μπαίνει στον εναλλάκτη έχει μια θερμοκρασία έστω Τν.εισ. Όταν βγαίνει από τον εναλλάκτη έχει μια θερμοκρασία Τν.εξ. > Τν.εισ.

Ομοίως το γλεύκος ερχόμενο σε επαφή με την επιφάνεια του εναλλάκτη έχει μια αρχική θερμοκρασία Τγ.εισ. και αποκτά μια θερμοκρασία Τγ εξ

Θεωρώντας το μοντέλο εναλλάκτη - γλεύκους ως έναν εναλλάκτη θερμότητας εγκάρσιας ροής,

η μέση θερμοκρασιακή διαφορά των υγρών υπολογίζεται από την σχέση:

 

Όπου:

ΔΤ1 = Τγ εισ - Τν εισ =  Διαφορά θερμοκρασίας νερού - μούστου στην είσοδο του θεωρητικού. μοντέλου.

ΔΤ2 = Τγ εξ - Τν εξ  =  Διαφορά θερμοκρασίας νερού - μούστου στην έξοδο του θεωρητικού μοντέλου.

Θεωρώντας πάλι ότι το νερό ψύξης εισέρχεται στον εναλλάκτη με μια θερμοκρασία (έστω 10oC) και εξέρχεται με μια κατά τι αυξημένη (έστω 11oC) και ότι το γλεύκος κατά τη ροή του νερού μειώνει αντίστοιχα κατά τι την θερμοκρασία του (έστω από 29oC σε 28oC), τότε μπορούμε να υπολογίσουμε την μέση θερμοκρασιακή διαφορά για ολόκληρο τον εναλλάκτη με τα πιο κάτω δεδομένα.

Τν εισ	10	11	Τν εξ
Τγ εισ	29	28	Τγ εξ
ΔΤ1	23	19	ΔΤ2
ΔΤολ	18		oC

Φυσικά το ΔΤ στην περίπτωση της λευκή οινοποίησης όπου η επιθυμητή θερμοκρασία είναι 18-20oC θα είναι σαφώς μικρότερο άρα και η ισχύς του εναλλάκτη αναλόγως μικρότερη. Αν για παράδειγμα θεωρήσουμε ότι η θερμοκρασία στο γλεύκος μεταβάλλεται από 19oC στους 18oC και η θερμοκρασία στο νερό ψύξης από 10oC ανεβαίνει στους 11oC τότε η μέση θερμοκρασιακή διαφορά για την λευκή οινοποίηση θα είναι

Τν εισ	10	11	Τν εξ
Τμ εισ	19	18	Τμ εξ
ΔΤ1	9	7	ΔΤ2
ΔΤολ	8,0		oC

Yπολογισμός του f

Για τον υπολογισμό του συντελεστή διόρθωσης F και για το μοντέλο εναλλάκτη θερμότητας εγκάρσιας ροής ισχύουν.

Ρ = (Τν εξ - Τν εισ) / (Τμ εισ - Τν εισ) = (8-5)/(28-5) = 0,13
R = (Τμ εισ - Τμ εξ) / (Τν εξ - Τν εισ) = (28-27)/(8-5) = 0,33


από το πιο κάτω γράφημα προκύπτει ότι

ο συντελεστής διόρθωσης F είναι περίπου ίσος με 0,98. Για λόγους ασφαλείας θα θεωρήσουμε τον συντελεστή διόρθωσης ίσο με 0,9.

Υπολογισμός του Α

Από τη σχέση Α = Q / hΔΤF και με δεδομένα όλα τα παραπάνω η απαιτούμενη επιφάνεια του εναλλάκτη θερμότητας για την απαγωγή της περίσσειας θερμότητας από την αλκοολική ζύμωση είναι:

Για την ερυθρά οινοποίηση...

Α = 555w / (885W/m2oC x 18oC x 0,9) => A = 0,0387m2 ή 387cm2 = 400cm2

Για την λευκή οινοποίηση...

Α = 555w / (885W/m2oC x 8oC x 0,9) => A = 0,0871m2 ή 871cm2 = 900cm2


Δεδομένων των δυσμενέστερων συνθηκών της λευκής οινοποίησης, από εδώ και στο εξής θα χρησιμοποιήσουμε τα 900cm2 ως απαιτούμενη διάσταση του εναλλάκτη.




Ο εναλλάκτης θερμότητας

Ο εναλλάκτη θερμότητας είναι κατασκευασμένος από ανοξείδωτη σωλήνα ποιότητας 304, γυαλισμένη εξωτερικά, διαμέτρου 12mm και πάχους 1mm. Οι σωλήνες αυτοί διατίθενται στο εμπόριο σε μήκη 6m. Είναι αρκετά δύσκολοι στην κατεργασία τους και την διαχείρισή τους από κάποιον που δεν διαθέτει επαγγελματικά εργαλεία.

Στην ιδανική περίπτωση που όλη η επιφάνεια του εναλλάκτη συμμετείχε στην μεταφορά ενέργειας από το γλεύκος προς το δοχείο ψύξης τότε η ενεργή επιφάνεια του εναλλάκτη θα ήταν

A=2πrh = 2 x 3,14 x (12 / 2)mm x 6.000mm = 226.080mm2 = 2.261cm2 >> 900cm2

Με έναν πρώτο υπολογισμό βλέπουμε ότι αν κατασκευάσουμε έναν εναλλάκτη θερμότητας με τα παραπάνω χαρακτηριστικά και ενεργό μήκος περίπου 6m υπερκαλύπτουμε τις απαιτήσεις των υπολογισμών.

Πρακτικά αυτό σημαίνει ότι ο εναλλάκτη θα μπορεί να επαναφέρει την θερμοκρασία του γλεύκους στο επιθυμητό επίπεδο πολύ πιο γρήγορα από την μισή ώρα.

Πριν ξεκινήσω την κατασκευή του σχεδίασα ορισμένα μοντέλα και κατέληξα σε τρία τα οποία είναι τα εξής:


Περίπτωση Α

Σπειροειδής εναλλάκτης συνολικού μήκους 6m. Στα θετικά του είναι ότι το μεγαλύτερο μέρος του βυθίζεται μέσα στο γλεύκος αυξάνοντας κατά πολύ την απόδοση. Το μεγάλο του μειονέκτημα είναι ότι δεν μπορεί να κατασκευαστεί στα πλαίσια μια ερασιτεχνικής προσπάθειας. Τουλάχιστον όχι με τα εργαλεία και τα μέσα που εγώ έχω στη διάθεσή μου.

Η βύθιση του εναλλάκτη στο γλεύκος γίνεται για το 92% του μήκους του.
Η ενεργή επιφάνεια του εναλλάκτη της περίπτωσης Γ υπολογίστηκε και είναι2.100cm2 >> 900cm2

Περίπτωση Β

Ο εναλλάκτη αυτός είναι μήκους 3m και αν επιλέγονταν θα χρησιμοποιούνταν 2 τεμάχια για να εκμεταλλευτώ όλο το 6m που ούτως η άλλως θα πρέπει να αγοράσω. Καμπυλώνεται με χρήση ενός καλού κουρμπαδόρου χειρός. Αυτό είναι και το μοναδικό του πλεονέκτημα. Στα μειονεκτήματα του είναι ότι έχει μικρότερη βύθιση σε σχέση με τον προηγούμενο, το κουρμπάρισμα είναι εφικτό αλλά πολύ δύσκολο, απαιτεί εργαλείο βαρέως τύπου και τέλος ο σωλήνας τσακίζει λίγο κατά την καμπύλωση του.
 
Η βύθιση του εναλλάκτη στο γλεύκος γίνεται για το 84% του μήκους του.
Η ενεργή επιφάνεια του εναλλάκτη της περίπτωσης Γ υπολογίστηκε και είναι 1.943cm2 >> 900cm2


Περίπτωση Γ

Ο εναλλάκτης αυτός είναι κατασκευασμένος από 5 διαφορετικά κομμάτια σωλήνα συνολικού μήκους 6m. Είναι στερεωμένος στην επιφάνεια του καπακιού του δοχείου οινοποίησης. Το μοναδικό του μειονέκτημα είναι ότι έχει την μικρότερη βύθιση σε σχέση με τις άλλες δύο περιπτώσεις. Στα πλεονεκτήματα του το γεγονός ότι κατασκευάζεται εύκολα αφού η καμπύλωση του μπορεί να γίνει με το χέρι.

Η βύθιση του εναλλάκτη στο γλεύκος γίνεται για το 46% του μήκους του.
Η ενεργή επιφάνεια του εναλλάκτη της περίπτωσης Γ υπολογίστηκε και είναι1.468cm2 >> 900cm2


Η κατασκευή του εναλλάκτη

Όπως έχω αναφέρει ήδη, για την κατασκευή του εναλλάκτη χρησιμοποίησα 6m ανοξείδωτη σωλήνα ποιότητας 304 με γυαλισμένη (mirror) την εξωτερική της επιφάνεια. Η εξωτερική της διάμετρος είναι 12mm και το πάχος του τοιχώματος είναι 1mm. Η σωλήνα κόπηκε αμέσως μετά την αγορά της με έναν απλό σωληνοκόφτη (τα κατάφερε μια χαρά στο ανοξείδωτο) στα παρακάτω μήκη:

1. 1.640mm
2. 1.420mm
3. 1.200mm
4. 980mm
5. 760mm

Συνολικό μήκος 6m ακριβώς.


Το αποτέλεσμα στην εικόνα.

Για το κουρμπάρισμα των σωλήνων χρησιμοποίησα μια φλάντζα 4'' στερεωμένη πολύ καλά στην μέγκενη. Σε μία οπή της φλάντζας στερέωσα σαν θηλιά ένα κομμάτι από τσέρκι τόσο ώστε να αφήνει κενό για να περάσει η σωλήνα.

Έβαλα πάνω στην φλάντζα ένα πανί για να μην τραυματίσω τη σωλήνα και ξεκίνησε το λύγισμα. το αποτέλεσμα στην πιο κάτω εικόνα.

Το ανοξείδωτο σαν υλικό έχει την τάση να επανέρχεται, έχει μια ελαστικότητα. Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται χαρακτηριστικά ότι η τελική ακτίνα καμπυλότητας που απέκτησε ο σωλήνας είναι μεγαλύτερη από την ακτίνα καμπυλότητας του οδηγού - φλάντζας.

Αφού καμπυλώθηκαν και οι 5 σωλήνες το αποτέλεσμα ήταν αυτό...

Για την τελική συναρμολόγηση χρειάστηκε να τρυπηθεί το καπάκι του δοχείου σε προκαθορισμένες από το σχέδιο θέσεις...

και να τοποθετηθούν οι στυπιοθλίπτες...

Η κάτω πλευρά...

Η πάνω πλευρά...

Και η συναρμολόγηση...

Το τελευταίο κομμάτι σωλήνα που τοποθετήθηκε, αν και το πιο κοντό από τα υπόλοιπα, κατά τη γνώμη μου παίζει τον σημαντικότερο ρόλο γιατί έρχεται σε επαφή με τα ανώτερα στρώματα του γλεύκους που θεωρητικά είναι και τα πιο θερμά. Κατά τη φάση της σχεδίασης αυτό ήταν το πρώτο κομμάτι που σχεδιάστηκε - υπολογίστηκε και όλα τα υπόλοιπα τεμάχια (πλήθος και μήκη) προέκυψαν από αυτό.



Ο αισθητήρας θερμότητας

Ο αισθητήρας θερμότητας είναι ένα τσιπάκι το οποίο έχει ιδιότητα να μεταβάλει την τάση στον ακροδέκτη εξόδου γραμμικά ανάλογα με τη θερμοκρασία. Πιο συγκεκριμένα είναι το LM35.

Το τσιπάκι αυτό έχει τρεις ακροδέκτες.


1. Τάση τροφοδοσίας.
2. Τάση εξόδου.
3. Γείωση.

Στην έξοδό του δίνει τάση 10mV/oC. Δηλαδή αν ο αισθητήρας τοποθετηθεί σε ένα χώρο με θερμοκρασία 20oC τότε στον ακροδέκτη (2) θα μετρήσουμε τάση 200mV ή 0,2V. Η ακρίβεια της μέτρησης του είναι της τάξης του 0,25oC στο εύρος των θερμοκρασιών που μας ενδιαφέρει.

Πλεονέκτημα του συγκεκριμένου αισθητήρα είναι το πολύ χαμηλό του κόστος, η απλότητα στη χρήση του και η ακρίβεια των μετρήσεων του. Το μειονέκτημά του είναι ότι δεν μπορεί να εμβαπτιστεί απευθείας στο γλεύκος.

Πιο κάτω οι όροι τάση και θερμοκρασία θα χρησιμοποιούνται κατά το δοκούν αφού αναφέρονται στην μέτρηση του ιδίου μεγέθους, δηλαδή της θερμοκρασίας της αλκοολικής ζύμωσης.

Ιδανικά, το αισθητήριο θα πρέπει να είναι εμβαπτισμένο μέσα στο γλεύκος. Για το συγκεκριμένο αισθητήριο αυτό θα μπορούσε να συμβεί μόνο αν το τοποθετήσουμε μέσα σε μια ταπωμένη στο ένα άκρο της σωλήνας. Εναλλακτικά μπορεί να τοποθετηθεί στο εξωτερικό τοίχωμα του ανοξείδωτου δοχείου ζύμωσης. Δεδομένων των μικρών όγκων του γλεύκους και του ότι η ζύμωση είναι μια έντονη κινηματικά διαδικασία (τουλάχιστον στην αρχή της όπου έχουμε και την έκλυση της περισσότερης θερμότητας) δεν υπάρχουν σημαντικές αποκλίσεις στη μέτρηση της θερμοκρασίας.



Ο ρυθμιζόμενος θερμοστάτης

Ο ρυθμιζόμενος θερμοστάτης είναι ένα σχετικά απλό ηλεκτρονικό κύκλωμα. Αποτελείται από μια ρυθμιζόμενη γεννήτρια τάσης η οποία αντιπροσωπεύει την επιθυμητή τάση/θερμοκρασία. Αυτή η τάση συγκρίνεται συνεχώς με την τάση εξόδου του αισθητηρίου LM35. Ανάλογα με το αν είναι μεγαλύτερη ή μικρότερη από αυτή ένα ρελέ κλείνει ή ανοίγει, σταματώντας ή εκκινώντας μια αντλία ανακυκλοφορίας αντίστοιχα.

Για παράδειγμα:

Θερμοκρασία ζύμωσης > Θερμοκρασίας ρύθμισης (επιθυμητής) => αντλία σε λειτουργία
Θερμοκρασία ζύμωσης < Θερμοκρασίας ρύθμισης (επιθυμητής) => αντλία σε παύση.

Τέλος το κύκλωμα παρέχει μια δυνατότητα υστέρησης στο άνοιγμα και κλείσιμο της αντλίας για λόγους αποφυγής συνεχούς και συχνού ανοιγοκλείματος του ρελέ.

Μία επιπλέον λειτουργία του θερμοστάτη είναι η δυνατότητα απεικόνισης της θερμοκρασίας του γλεύκους, της θερμοκρασίας ρύθμισης και της θερμοκρασίας του νερού ψύξης. Το τελευταίο επιτυγχάνεται με τη χρήση ενός δεύτερου αισθητήρα τοποθετημένου στο δοχείο ψύξης. Οι θερμοκρασίες απεικονίζονται σε ένα ψηφιακό βολτόμετρο που ελέγχεται από έναν επιλογικό διακόπτη.

Το εύρος ρύθμισης του θερμοστάτη είναι από τους +20oC έως τους +30oC.



Το δοχείο νερού και η λειτουργία του

Το δοχείο του νερού είναι ένα πλαστικό δοχείο το οποίο έχει μια έξοδο νερού στο κάτω μέρος και μια είσοδο για την ανακυκλοφορία του στο πάνω μέρος. Για καλύτερη απόδοση του συστήματος το δοχείο καλό είναι να μονωθεί εξωτερικά για να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες ψύχους προς το περιβάλλον.

Από το πάνω μέρος τροφοδοτείται με πάγο για την διατήρηση του νερού σε χαμηλά επίπεδα και την διατήρηση ικανότητας απαγωγής της παραγόμενης θερμότητας της αλκοολικής ζύμωσης.

Ο όγκος και η θερμοκρασία ή επί της ουσίας η θερμοχωρητικότητα του νερού στο δοχείο ψύξης είναι αυτή που ορίζει τον ρυθμό επαναπλήρωσης με πάγο.

Στο δοχείο νερού συνυπάρχουν το νερό σε υγρή φάση και σε στερεή φάση. Το νερό σε υγρή φάση ως γνωστό δεν μπορεί να έχει θερμοκρασία μικρότερη από 0oC. Ο πάγος όμως μπορεί να έχει θερμοκρασία περίπου -18oC κάνοντας χρήση οικιακών καταψυκτών για την παραγωγή και συντήρηση του.

 
Λανθάνουσα Θερμότητα


Η αλλαγή φάσης από στερεό σε υγρό είναι μία διαδικασία που απαιτεί ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ του υλικού και του περιβάλλοντος του. Η ανταλλαγή αυτή δεν γίνεται αισθητή με τη χρήση θερμομέτρου για το λόγο αυτό καλείται λανθάνουσα θερμότητα.

Στην περίπτωση μας, όταν ο πάγος αυξάνει την θερμοκρασία του από -18oc σε 0οC απορροφά θερμότητα από το περιβάλλον. Θεωρώντας τις απώλειες του δοχείου προς το περιβάλλον αμελητέες, τότε ο πάγος απορροφά θερμότητα από το νερό με το οποίο συνυπάρχει και το οποίο θερμαίνεται κατά το πέρασμα του από τον εναλλάκτη θερμότητας. Όταν φτάσει σε θερμοκρασίας 0οC θα αρχίσει να μετασχηματίζεται σε νερό απορροφώντας θερμότητα από το ήδη υπάρχον νερό μειώνοντας κατά αυτόν τον τρόπο και άλλο την θερμοκρασία του νερού. Η λανθάνουσα θερμότητα του είναι:

Q=Lm

όπου
Q: η λανθάνουσα θερμότητα του σώματος
L: η ειδική λανθάνουσα θερμότητα
m: η μάζα του σώματος

για το νερό ισχύει L=334kJ/kg


Παράδειγμα

Έστω πάγος μάζας 1kg και θερμοκρασίας -18oC ο οποίος βυθίζεται σε νερό μάζας 20kg θερμοκρασίας 5oC. Όταν ο πάγος φτάσει λιώσει θα έχει απορροφήσει θερμότητα από το περιβάλλον του δηλαδή από το νερό ίση με

Q = mcΔΤ + Lm = 1kg x 2,1kJ/kgroC x (0-(-18)) + 334kJ/kg x 1kg = 37,8kJ + 334kJ = 371,8kJ.

Παρατηρούμε ότι η θερμότητα που απορρόφησε ο πάγος για τον μετασχηματισμό της φάσης του είναι πολύ μεγαλύτερη (~90%) από την θερμότητα που χρειάστηκε να απορροφήσει για την αύξηση της θερμοκρασίας του (~10%).

Από την λανθάνουσα θερμοκρασία και μόνο η ελάττωση της θερμοκρασίας του νερού που ήδη υπήρχε στο δοχείο (αγνοώντας την παραγωγή νέου ψυχρού νερού σε υγρή φάση από την τήξη του πάγου) είναι:

Q=mcΔΤ => ΔΤ = Q/mc = 334kJ / (20kg x 4,2 kJ/kgroC) = 4,0oC

ενώ από την εξισορρόπηση των θερμοκρασιών πάγου νερού αγνοώντας την λανθάνουσα θερμότητα του πάγου:

ΔQπ + ΔQν = 0 =>
1kgr x 2,1kJ/kgroC x (θ-(-18)) + 20kg x 4,2kJ/kgroC x (θ-5) = 0 =>
θ = 1,7 oC.

δηλαδή το ΔT είναι

ΔΤ=5-1,7 = 3,3oC.



Κατασκευή του δοχείου νερού.

Για την κατασκευή του δοχείου ψυχρού νερού χρησιμοποίησα ένα τετράφωνο πλαστικό δοχείο χωρητικότητας 20lit. Σε δύο σημεία του, ένα χαμηλά για έξοδο και ένα ψηλά για επιστροφή του νερού έφτιαξα δύο παροχές με χρήση ειδικών μπρούντζινων εξαρτημάτων. Στην αγορά τα βρίσκουμε ως παροχές δεξαμενών ή ιντζέκσιον. Θα μπορούσε να γίνει και χρήση πιο απλών και φθηνότερων (πλαστικών) εξαρτημάτων αλλά αυτά ευκαίρησα να βρω, αυτά έβαλα.

Εξωτερικά το μόνωσα το δοχείο με ένα θερμομονωτικό υλικό.

Πιο κάτω η φωτογραφία του δοχείου.

από το στόμιο κοντά στον πυθμένα του δοχείου θα γίνεται η άντληση του νερού για την ψύξη ενω από το πάνω στόμιο θα γίνειαται η επιστοφή.

Η παραγωγή ψυχρού νερού

Όπως ήδη έχει αναφερθεί, το μέσο που θα χρησιμοποιηθεί για την απαγωγή της θερμότητας που παράγεται από την αλκοολική ζύμωση είναι το νερό. Για ευνόητους λόγους δεν θα γίνει χρήση τρεχούμενου νερού (δεδομένου ότι δεν διαθέτω και και καμία πηγή κοντά στην πολυκατοικία που μένω) οπότε θα αρκεστώ στο να ψύχω και να επανακυκλοφωρώ μία συγκεκριμένη ποσότητα νερού.

Για την παρασκευή ψυχρού νερού θα χρησιμοποιήσω πάγο τον οποίο θα παρασκευάζω στον οικιακό μου καταψύκτη.


Δοκιμή του συστήματος

Περιγραφή της διαδικασίας

Για να δοκιμαστεί η απόδοση του συστήματος έγινε η εξής δοκιμή. 

Γέμισα το δοχείο οινοποίησης με περίπου 80lit νερό θερμοκρασίας 20oC. Για την ορθότητα της δοκιμής θα έπρεπε το νερό να έχει θερμοκρασία 30oC άλλα δεν το διέθετα. Κατόπιν γέμισα το δοχείο ψυχρού νερού με παγωμένα πλαστικά μπουκάλια νερού. Συμπλήρωσα με νερό μέχρι να γεμίσει το δοχείο. Στη συνέχεια, έθεσα σε λειτουργία το σύστημα ψύξης, ρυθμίζοντας τον θερμοστάτη σε τέτοια θερμοκρασία ώστε η ανακυκλοφορία του ψυχρού νερού να είναι συνεχής.

Η δοκιμή χωρίστηκε σε φάσεις. Κάθε φάση διαρκεί μέχρι να λιώσει τελείως η δόση πάγου ή πιο σωστά μέχρι να εξισωθούν οι θερμοκρασίες στο νερό του δοχείου οινοποίησης με αυτό του δοχείου ψύξης. Η εξίσωση των θερμοκρασιών σημαίνει ότι πλέον δεν υφίσταται καμία μεταφορά ενέργειας από το θερμό προς το ψυχρό σώμα.

Ανατροφοδότησα το δοχείο ψυχρού νερού συνολικά 4 φορές. Η Θερμοκρασία του περιβάλλοντος ήταν καθ' όλη τη διάρκεια της δοκιμής 30oC.3


Παρατήρηση

Δεδομένου ότι η αρχική θερμοκρασία του προς ψύξη νερού ήταν 20,1oC δηλαδή 10oC χαμηλότερη από την θερμοκρασία των παραπάνω υπολογισμών, το ΔΤ μεταξύ του νερού του ψύκτη  και του προς ψύξη νερού θα είναι ελαττωμένο περίπου στο μισό. Για την ακρίβεια θα είναι 12,9oC από 20,9oC που υπολογίστηκε. Για το λόγο αυτό και η ισχύς του εναλλάκτη θα είναι περίπου η μισή απ' όσο υπολογίστηκε. Πρακτικά αυτό θα μας οδηγήσει δε διπλασιασμό του χρόνου απαγωγής της θερμότητας από το ζυμούμενο γλεύκος άρα και κατά κύριο λόγο σε διπλασιασμό του χρόνου επαναφοράς της θερμοκρασίας στην επιθυμητή από την υστέρηση του θερμοστάτη.

Τα αποτελέσματα των μετρήσεων φαίνονται στα παρακάτω γραφήματα:

Αρχικά Δεδομένα

Αρχική θερμοκρασία νερού στην δεξαμενή: 20,1oC
Όγκος νερού στην δεξαμενή: 84,6lit
Θερμοκρασία νερού στο δοχείο ψύξης: 10,1 (5' μετά την εκκίνηση)
Όγκος νερού στο δοχείο ψύξης: 9lit πάγος + 8lit κρύο νερό
Θερμοκρασία περιβάλλοντος: 30oC

5' μετά την εκκίνηση της αντλίας άρχισα να λαμβάνω τις εξής μετρήσεις.


Α Φάση - Πίνακας

Χρόνος	Τ80	T20
min	oC	oC
0	20.1	10.1
6	19.8	11
11	19.5	11.6
17	19.2
25	18.9	12.4
34	18.9	12.6
43	18.6	12.4
52	18.4	12.4
60	18.1	12.3
77	17.6	12.1
90	17.2	12
120	16.5	11.7
180	15.2	12.2
210	14.9	13.5
240	14.8	14.8

Α Φάση -Γράφημα

Σχόλια.

Μια πρώτη παρατήρηση είναι ότι χρειάστηκε 1 ώρα για να πέσει η θερμοκρασία του νερού κατά 2oC. διπλάσιος δηλαδή από αυτόν που υπολογίστηκε. Αυτό (αν δεν οφείλεται σε κάποιο λάθος στους υπολογισμούς) ωφείλεται στο ότι κατά τη διάρκεια της ψύξης το ΔΤ μεταβάλεται, μεταβάλλοντας και την σειρά του και την ισχύ του ψύκτη η οποία βαίνει μειούμενη.

Επίσης κατα τους υπολογισμούς δεν λήφθηκαν υπ' όψη τα παρακάτω, που επηρεάζουν την απόδοση του συστηματος

1. Οι απώλειες σε θεμρότητα του νερού του ψύκτη προς το περιβάλον.
2. Οι απώλειες σε θερμότητα του ψυχώμενου νερού προς το περιβάλλον.
3. Οι απώλειες θερμότητας από τις σωλήνώσεις προς το περιβάλλον.

 
Ένα δεύτερο ενδιαφέρον στοιχείο είναι η μορφή της καμπύλης ανόδου της θερμοκρασίας του νερού στο δοχείο ψύξης. Η πτώση της θερμοκρασίας που ξεκινάει περίπου 30' μετά την εκκίνηση εικάζω ότι οφείλεται στο ότι μέχρι τότε ο πάγος δεν είχε αρχίσει να μετασχηματίζεται σε νερό. Όλα τα ποσά θερμότητας που απορροφούσε να "χρησιμοποιούσε" για να ανεβάσει την θερμοκρασία του από -18oC σε 0oC. λόγω της μικρής θερμοχωρητικότητας του πάγου αυτή η φάση είναι σχετικά σύντομη. Στη συνέχεια, όταν αρχίσει ο μετασχηματισμός σε νερό, η επιπλέον ενέργεια που απαιτείται οδηγεί σε περαιτέρω μείωση της θερμοκρασίας του νερού, χωρίς μάλιστα να σταματήσει η απαγωγή θερμότητας από το μεγάλο δοχείο.

Τέλος, 4 ώρες μετά την έναρξη της διαδικασίας, οι θερμοκρασία στο δοχείο ψύξης εξισώθηκε με αυτή του μεγάλου δοχείου. Αυτό σημαίνει ότι σταμάτησε και η μεταφορά ενέργειας μεταξύ των δύο δοχείων. Σε αυτήν την φάση, ο πάγος μέσα στα μπουκάλια είχε λιώσει τελείως. Η θερμοκρασία του νερού μέσα στο στα μπουκάλια ήταν 14,4oC ελάχιστα χαμηλότερη (πρακτικά ίση) με αυτή μέσα στο δοχείο ψυχρού νερού.



Β Φάση - Πίνακας

-->

Χρόνος	Τ80	T20
250	14.7	7.8
260	14.6	8.1
285	14.1	9.1
315	13.7	9.7
350	13	10.1
390	12.7	10.1
420	12.4	9.6
450	12.3	9.3
480	12.1	9.6

Β Φάση - Γράφημα

Σχόλια

Λίγη ώρα μετά την αλλαγή των 6 μπουκαλιών πάγου με νέα η θερμοκρασία του νερού στο δοχείο ψύξης έπεσε κατά 7oC. Η διαδικασία μεταφοράς ενέργειας ξεκίνησε πάλι με τα ίδια χαρακτηριστικά όπως και στην Α Φάση.

Σε αυτή τη φάση χρειάστηκαν 2:20' για να πέσει η θερμοκρασία κατα 2oC σε σχέση με την 1:00 της Α φάσης.



Γ Φάση - Πίνακας


-->

Χρόνος	Τ80	T20
490	12.1	5.1
720	10.1	8.8

Γ Φάση Γράφημα

Σχόλια

Μετά το τέλος της Β φάσης ανατροφοδότησα το δοχείο ψυχρού νερού με 5 μπουκάλια (1 λιγότερο δηλαδή) πάγου. Λόγω του προχωρημένου της ώρας δεν κατάφερα να πάρω ενδιάμεσες μετρήσεις.

Σε αυτή τη φάση χρειάστηκε 3:50' για να πέσει η θερμοκρασία κατά 2oC σε σχέση με τις 2:20 της Β φάσης και την 1:00 της Α φάσης.


Δ Φάση - Πίνακας


-->

Χρόνος	Τ80	T20
730	10.1	3.7
875	8.2	5.9

Δ Φάση - Γράφημα

Σχόλια

Σε αυτήν τη φάση τροφοδότησα το δοχείο ψυχρού νερού με 6kgr καθαρό πάγο (όχι κλειστά μπουκάλια πάγου δηλαδή). Πήρα μόνο 2 μετρήσεις. Σε αυτή τη φάση χρειάστηκε 1:25' για να πέσει η θερμοκρασία κατά 2oC σε σχέση με τις...

3:50 της Γ φάσης
2:20 της Β φάσης
1:00 της Α φάσης.

 Παρόλο λοιπόν που από πλευράς απαιτήσεων αυτή η φάση είναι η δυσμενέστερη παρατηρούμε ότι η χρήση καθαρού πάγου επιταχύνει την διαδικασία ψύξης λόγω φυσικά του ότι υπάρχει ελεύθερη ροή μάζας και θερμότητας από την στερεά στην υγρή φάση.


Συμπεράσματα

Η συνολική πορεία του πειράματος φαίνεται στο πιο κάτω γράφημα

Παρατηρήστε πόσο καθαρά έχει καταγραφεί η επιτάχυνση της διαδικασία της ψύξης κάθε φορά που ανανέωνα τον πάγο. Επίσης σημαντική είναι και η καταγραφή της ασυμπτωτικής πορείας της πτώσης της θερμοκρασίας (και επί μέρους και συνολικά)

Μετά το πέρας της διαδικασίας τα συμπεράσματα είναι τα εξής:

1. Το σύστημα μπορεί να ανταπεξέλθει στις απαιτήσεις ψύξης και της ερυθράς και της ψυχρής οινοποίησης.
2. Το σύστημα μπορεί οριακά να ανταπεξέλθει στις απαιτήσεις της στατικής προζυμωτικής απολάσπωσης. Χρειάστηκαν περίπου 14h για να κατεβεί η θερμοκρασία από τους 20oC στους 8oC. Ίσως με τη χρήση καθαρού πάγου ή συχνότερης αντικατάστασης των μπουκαλιών να έχω καλύτερα αποτελέσματα.
3. Δεν επαληθεύτηκαν οι υπολογισμοί όσον αφορά την ισχύ του συστήματος η οποία φαίνεται να είναι μικρότερη (απ' ότι υπολογίστηκε) αλλά ακόμη αρκετή για να φέρει σε πέρας τον σκοπό για τον οποίο σχεδιάστηκε το κύκλωμα.

Ενημέρωση Αυγουστος 2015

Για την κατασκευή του εναλλάκτη θερμότητας για τις οινοποιήσεις του 2015 χρησιμοποίησα εύκαμπτο ανοξείδωτο σωλήνα σε μορφή σπιράλ.Υπάρχει σε ποιότητα 304 και 316. Εγω αγόρασα ποιότητας 304 γιατό δεν υπήρχε διαθέσημο σε 316. Η μορφοποίηση του γίνεται έυκολα με τα χέρια. Πωλείται με το μέρτο σε καταστήματα υδραυλικών είδων. Στα άκρα του μπορούν να προσαρμοστούν ρακόρ αρσενικά ή θυλικά. Η εγκατασταση των ρακόρ γίνεται με είδικό εργαλείο και μου την έκαναν στο κατάστημα με την αγορά του σωλήνα.