通过模拟改善啤酒酿造过程

2014年9月26日

家庭酿造有两个方面:烹饪方和工程酿造。许多啤酒爱好者开始酿造以改善食谱,尝试克隆自己喜欢的啤酒,甚至只是为了看看它的工作原理。但是,在酿造了几批之后,事实证明,从工程的角度来看,酿造过程也可能非常具有挑战性。

是啤酒

当我写这篇文章时,这是星期五,我们度过了一个漫长而富有成效的一周。像我一样,您可能想知道稍后将使用玉米片订购哪种类型的IPA。我们很幸运,由于最近的精酿啤酒的兴起,在美国提供了如此多种啤酒。但是,我们可以进一步迈出一步并尝试制作自己的啤酒,而不是去当地的微型啤酒厂。

一杯啤酒。

在这里,我们为您提供有关啤酒酿造的速成课程,并解释如何通过CFD模拟改善酿造过程。主要目的是找出如何尽快冷却五加仑的沸水。但是,首先:一些上下文。

如何酿造啤酒:101

自己制作啤酒相对简单。如果您可以喝茶,您可能可以酿造啤酒。

这是我酿造啤酒的七个步骤的清单:

  1. 该过程从在150°F-160°F约150°F的热水中浸泡在热水中一个小时开始。对于家庭酿酒师,这通常是在冷却器中进行的,因此混合物保持在恒定的温度。将大麦浸入淀粉中,将淀粉裂成糖,使酵母在发酵阶段更容易食用。
  2. 一个小时后,由此产生的液体,麦芽汁,被移至水壶,在这里煮沸一个小时(或者对于某些Hoppier IPA,最多两个小时)。在沸腾过程中添加啤酒花。在沸腾过程的早期增加的添加有助于啤酒的苦味,而啤酒花后来增加了啤酒,这有助于我们大多数人喜欢的啤酒花味。对于最令人兴奋的啤酒,在沸腾步骤或发酵过程中几天后立即添加更多的啤酒花。啤酒花也被用作防腐剂。
  3. 接下来,在添加酵母开始发酵过程之前,我们将尽快冷却麦芽汁。
  4. 现在,我们需要耐心等待几天,让酵母发挥其魔力。
  5. 分配的时间后,我们在结果中添加一些糖,瓶装啤酒,然后给它起一个名字。让我们称之为HOPSOL 1.0目前。
  6. 另一个无聊的步骤……我们需要等待几周,而添加的糖碳则含有瓶子。
  7. 最后:我们可以品尝我们的产品,吹牛,然后重复该过程。

那是标准程序。但是,当我们可以改善流程时,为什么还要满足标准呢?上述大多数步骤可以通过模拟优化。让我们从最关键的角度开始 - 步骤3:冷却麦芽汁。

如何尽快冷却5加仑的麦芽汁?

在步骤3中,由于几个原因,需要快速冷却沸腾的麦芽汁。

首先,它需要足够冷却才能使酵母生存。其次,冷却它限制了在冷却过程中硫化合物和其他污染物的产生。这些化合物与成品啤酒中的非风味相关。最后,为了使它们沉淀,需要对某些蛋白质进行热震动。

我们不会详细介绍这些原因,因为我们更喜欢专注于过程的工程方面。典型的家用啤酒批量的大小在五到十加仑之间。在工业设置中,冷却液体的问题迅速变得更加困难,在工业设置中,要冷却的麦芽汁是巨大的。

关于如何进行的一些想法

1.在水壶中添加冰

我在YouTube上看到,您可能会尝试将冰放入沸腾的水壶中。我不建议这样做,因为它可能会在啤酒中引入污染物并将其稀释。

2.将水壶放在冰浴中

将沸腾的水壶放在我们厨房水槽的冰浴中怎么样?虽然这是最便宜的方法,但它不是最有效的。我会让您独自使用我们的共轭传热接口(包括CFD模块传热模块

冰浴中水壶的冷却可以与水玻璃模型教程中的自由对流,在我们的模型画廊中找到。

在一杯水中描绘自由对流的模型。
在一杯水中自由对流。

该型号将一杯冷水加热到室温的自由对流和热传递。最初,玻璃和水在5°C下,然后放在温暖25°C的房间中的桌子上。沸腾的水壶冷却问题可以通过将初始麦芽汁温度设置为100°C并将外壁温度设置为0°C,以相同的方式建模。

3.使用麦芽冷水机

另外,我们可以使用麦芽冷水机。基本麦芽汁冷却器由沸腾过程结束时浸入水壶中的长螺旋管组成。然后,您将从水槽中将冷水运到管道中以冷却麦芽汁。

图显示了可以在家庭啤酒酿造过程中使用的麦芽冷水机。
麦芽冷水机的草图。

正如您可以根据形状推断出的那样,该麦芽汁冷却器的建模过程与我们在我们的池塘循环的地热加热问题模型

池塘环的地热加热问题。

在此示例中,池塘用作热储层,流体通过封闭系统中的聚乙烯管道循环水下。该模型发现了多少热量从池塘转移到管道中的工作流体。为此,非等温管流界面设置并求解管道系统中温度和流体流的方程。

在管道流体物理接口中,管道由1D线表示,而不是实际的3D管道,从而大大减少了这种模型的计算负载。以下快照显示了麦芽冷水机的可能设计,浸入沸腾的水壶中以及管道内的相应温度场:

随着麦芽汁冷却器浸入沸腾的水壶中,管道内的温度田。

我们还可以将方法2和3结合起来,以获得更快的结果,即,在水壶在冰浴中时使用麦芽冷水机。

4.使用板热交换器

另一个选择是使用平板或逆流热交换器。热交换器是一种将热量从一种流体传输到另一种流体的设备。最初在低温下用作冷却剂的水在冷却时正在加热。下图显示了一个平板热交换器。

在啤酒酿造过程中,使用板热交换器来冷却啤酒。
平板热交换器用于在当地的“酿造自己的啤酒”机构中冷却啤酒。

这些类型的热交换器由于其紧凑的尺寸而非常受欢迎。许多酿酒师也使用逆流热交换器

壳管热交换器的几何形状。

您可以通过按照逐步指令在壳管热交换器模型,其中显示了设置热交换器模型的基本原理。在模型中,在不同温度下的两个分离的流体通过热交换器,一个通过管(管侧),另一个通过管子周围的壳(壳侧)。

使用热交换器不仅是冷却麦芽汁的最快方法,它也是最有效的。实际上,大部分热量麦芽汁都被转移到水中。然后可以将这种水重新浸入下一批麦芽大麦。这样,不会浪费能量!

轮到您通过模拟来改善啤酒酿造过程

在这里,我们讨论了共轭传热问题,管道流量模型和热交换器模型。我鼓励您尝试在comsol多物理学中建模这些不同的冷却策略,并找出最有效的方法。您可以使用CFD模块,,,,传热模块, 和管道流量模块

在所有这些建模之后,您的啤酒一定很美味,您的朋友可能会要求更多。现在是时候扩大规模并使用较大的搅拌机罐了,这样您就不需要手动搅拌它了。混合罐可以使用搅拌机模块,CFD模块的附加组件,使您可以分析流体混合器和搅拌反应器。

湍流搅拌机的模型。
带有三叶片叶轮的湍流搅拌机的模型。该模型还考虑了自由表面的形状。

如果您对我在这里提出的模型有任何疑问,请联系我们的技术支持团队。如果您还不是Comsol多物理用户,并且想了解有关我们软件的更多信息,请通过此表格与我们联系- 我们很想与您建立联系。


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