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[评论]啤酒锥形发酵罐温度控制中的几个问题

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文章出处:中国计量科学研究院 [2007/7/20 ]
责任编辑:上仪营销中心技术部
作者:

    在2000年“啤酒科技”第一期上,曾经发表过题目为“啤酒锥形发酵罐温度控制中的几个问题”—文,之后在有关杂志上的有些文章也谈到这方面的问题,觉得有必要再讨论一下。本文准备讨论以下几个方面的问题:
1. 温度的定义和温度测量的基本准则
2. 温度与热量
3. 在啤酒发酵工艺流程中,温度的作用和控制的实质
4. 在啤酒发酵工艺流程中的温度控制   
5. 评价温度控制系统的几奌看法   
一.温度的定义和温度测量的基本准则
    温度是与人类日常生活和生产实践活动最为密切的物理量之一,在我们的四周和本身到处都与温度有着密切关系。但是并非每个人对温度的定义和温度测量都理解得很清楚,即使是从事温度测量和控制工程的某些技术人员也不例外。这主要是由于人们很容易将温度和热的概念相混淆,有时还与人的主观直觉有关。在所有基本物理量中,温度是最难理解和最不易测准的物理量。   
    最通俗的温度概念将温度说成是表征物体冷热程度的物理量。但这种表述不严谨,容易产生错觉。例如,当我们在室内去触摸处于同一温度条件下的木块、泡沫塑料和金属棒时,就会感到稍有差别,显然我们不能由此而判定它们的温度不相同。其中的道理并不简单,它不仅与物体的性质、体温与室温有关,而且与人产生热感觉的方式有关。因此,要正确地理解物体温度的含义,必须对温度的概念做一科学的定义。 
    温度的科学定义出自于热力学第零定律,这里不一一表述,可以通俗地认为:温度就是表征物体热平衡状态的状态参数,当两个处于热平衡状态的物体间相接触而无热量交换时,此两物体具有相同的温度;当两个处于热平衡状态的物体相接触有热量交换时,此两物体具有不同的温度,且热量由温度较高的物体流向较低的物体。这里有两奌必须加以说明:一是物体的热平衡状态指的是物体内部无热量交换处于热平衡;二是物体间无热量交换时,此两物体间热平衡。反过来讲热平衡,其目的在于加深印象,绝对理想的热平衡实际上并不存在,只能做到接近热平衡,这就是温度这个物理量最难理解和最不易测准的原因所在。 
    我们用温度计去测量某物体的温度,并非只要将温度计的感温部分接触被测物体,温度计的显示值就是被测物体的真实温度。温度计显示的实际上是温度计感温部分的温度,只有当温度计感温部分与被测物体间无热量交换即热平衡时,才是被测物体的温度。因此,在使用温度计测量物体温度时,尽量减少温度计感温部分与被测物体间的热流,并控制在允许范围内,是温度测量的基本准则。单位时间内通过感温部分的热量即热流愈大,温度测量的误差也就愈大;反之,误差就愈小。为此,在使用温度计测量温度时,应当有—定的插入深度,以便将外界通过温度计杆的热流在到达感温部分前进行分流,使通过感温部分的热流减到允许范围内,若想进一步减少误差,还可以用绝热材料将整个温度计包裹起来,以阻隔周边环境温度变化对温度测量的影响。 jwZBWt )5  
还有一点必须强调:被测物体的温度实际上不可能是绝对均匀的,温度测量点的温度仅代表物体这一部分的温度。
二, 温度与热量 
    温度是表征物体宏观热状态的状态参数,从微观来看,温度是物体内分子热运动激烈程度的表征,热量的输入或输出,可加剧或减缓物体内分子热运动激烈程度,物体的温度也将随之升高或降低。可见,温度是描述物体热状态,而热量是物体状态变化过程中与外界交换能量的一种形式。温度与物体的热状态有关,而热量却与物体状态变化的过程有关。两者间有联系,但却是两种概念,温度是基本物理量,热量是能量的一种形式,其间可用热力学第一定律联系起来。
    具体到物体的温度控制问题,而不是讨论热力机械,不考虑物体与外界机械能的交换。对一定质量的物体而言,物体温度的升高或降低,完全取决于与外界间热交换的热流方向和大小。要提高温度就输入热量,降低温度就输出热量,要保持温度不变需要完全绝热或者使输入和输出的热量保持平衡。控制温度,实际上就是选择一种可以控制的传热渠道,使被控对象的输入或输出的热量与可控传热渠道的输出或输入热量保持平衡。所以,控制温度实质上就是控制可控传热渠道的热交换量。所谓可控传热渠道就是日常所说的换热器、加热器、致冷器等,发酵罐外壁上的冷却夹套即冷带就是一种换热器。发酵罐外壁上安装的温度计是用来控制冷却夹套内致冷介质带走的热量,它显示的是测量点处发酵液的温度,整个罐内的温度分布与许多因素有关,在整个发酵工艺流程中的不同阶段也不一样,下面我们将会专门来讨论这个问题。 ­  
三, 在啤酒发酵工艺流程中,温度的作用和控制温度的实质 
    在啤酒厂的发酵车间,无论是酿造师或是操作工,对发酵罐内发酵液的温度最为关注。尤其对操作工而言,工艺单上写的基本上就是温度和时间,这样很容易产生一种错觉:似乎啤酒发酵工艺流程就是根据温度和时间来完成的。而实际上在整个工艺流程中,还要定期从取样口取出发酵液送到实验室去化验,根据化验的结果,温度和时间可能会有所改变。因此,从整个工艺流程中的操作可看出:温度在啤酒发酵工艺流程中,是完成工艺流程的工艺参数,而不是表征发酵状态的特征参数;是完成啤酒发酵流程的生化反应环境,而不是标识。在实验室化验和检测的发酵液的糖度、乙醇含量、活酵母数和双乙酰含量等理化指标才是表征发酵状态的特征参数,是发酵工艺流程的标识。
    啤酒发酵过程属于生物化学反应过程简称生化反应,不是化学反应过程。化学反应中有反应温度,不到反应温度化学反应不可能进行;生化反应中无反应温度—说,它的反应主体是微生物而不是元素,只要微生物具有生物活性就能起反应,温度的高低影响的主要是反应速度和反应中产生的代谢物稍有差异。当然,决定生化反应速度不仅仅是温度,还有参加反应的物质的种类和品质。因此在生化反应中往往是限定最高温度,如现有的两种发酵工艺即高温发酵和低温发酵,规定的都是最高温度。限止最高温度的目的是为了防止产生不需要的代谢物。可见,只要温度低于最高限温,生化反应都可以正常进行。但是,温度过低将影响生产效率,温度波动过大将影响代谢物的品质。因此,根据麦汁的质量和充氧情况、酵母种类和活酵母数、啤酒品种等,以及生产效率,选择合适的温度并控制在一定范围内,然后再根据在发酵进程中测得的糖度、乙醇含量、活酵母数和双乙酰含量等理化指标,来确定温度应升高或降低或保持不变,并与时间一起来控制整个发酵进程。总之,温度提供的是生化反应环境,是工艺参数;调节的是反应速度。这就是温度在啤酒发酵工艺流程中的作用。
    可见,在啤酒发酵工艺流程中的温度测量,并不需要高准确度,而是满足一定准确度下的较高精确度测量,这也是在化学工业部门—般采用A级鉑电阻温度计,而在啤酒酿造中只须用B级的原因所在。 
    在前面温度与热量一段中,己经指出温度控制的实质就是控制通过可控传热渠道的热交换量。在啤酒发酵工艺流程中,对发酵液而言,热量主要不是由外界传入的,而是内部产生的生化反应热。这些热是发酵液中的糖在酵母作用下,转化为乙醇、二氧化碳和其他代谢物时伴随而产生的。这些热量我们必须适时的通过可控传热渠道冷却夹套即冷带传出去,使得发酵液的温度维持在低于最高限温的某一数值,为生化反应提供较稳定的反应环境。若想升温就减小传出量;想降温就增大传出量。因此,在啤酒发酵工艺流程中,将产生的生化热适时的通过冷却夹套传出去,就是啤酒发酵工艺流程中温度控制的实质。 
    到此,人们也许要问,既然发酵罐外壁上安装的温度计测的是该点附近的温度,且是用来控制通过冷带传出的热流,那么发酵罐内其他部分的温度是怎样分布的呢?由于温度在啤酒发酵中的作用很大,又不知道罐内的温度分布,于是就产生许多误解。如从取样口放出发酵液测量温度;将温度计插入深度加长,长到一米甚至一米五,恨不得能插到罐中心等。这些都是由于对前面所述的基本概念不十分清楚而产生的,这样做不仅完全没有必要,反而有害。这是因为从取样口放出发酵液过程中,通过与周边环境的热交换温度己变化,还有测量用的温度计并非是同一枝,将会给人们传递错误的信息。而温度计过长则刚性降低,在发酵液流动较激烈时易产生振动,且不易清洗灭菌。
四,在啤酒发酵工艺流程中的温度控制
    目前,我国绝大部分啤酒厂均采用园柱锥底式发酵罐简称锥形罐,—般在圆柱部分焊有两到三段冷却夹套,锥底还有一冷却夹套。整个罐体除罐顶装置和罐底的進出口以外,全部用绝热材料包裹起来,用其来阻隔与外界的热交换。这样使得罐内发酵液与外界的热交换量和发酵液产生的生化热相比较可忽略不计,控温中通过冷却夹套由冷却介质带走的热量主要是生化热。 qu:nV"~_  
在整个啤酒发酵工艺流程中,只要酵母还有生物活性,就会有生化反应,也就有生化热和代谢物产生,这是区别于其他无自热反应的液体很重要的特点。另一特点是啤酒中的主要成份是水,而水的密度随温度的变化在高于凝固点温度附近有一最大值,纯水为4℃、啤酒为3℃左右。换句话说当啤酒温度在高于3℃以上降温时,啤酒密度增大;在低于3℃时降温,啤酒密度减小。 
    上面所述的特点以及前面部分所讲的一些基本概念,再加上流体运动的基本规律和传热学的基本常识,是我们科学分析问题的基础。
    首先,我们来看—下最简单的控制流体温度的方法。在啤酒厂中几乎都使用板式换热器使流体升温或降温,如在灌装机前降低灌装温度。为了控制啤酒温度必须用一支温度计来进行检测,然后由调节器来控制通过换热器的致冷介质流量以控制温度。显然,我们不可能将温度计装在换热器的进口,而是装在出口处,而且从出口至灌装机之间的管道还需要保温。这是一种典型的流体换热控制方式,杀菌机喷淋水的温度控制也是这种方式。在啤酒发酵罐内也类似如此,但是还是有一点区别:在板式换热器中啤酒是在压力作用下在管内流动,而在发酵罐内发酵液的流动是在重力或浮力以及二氧化碳气泡上升力的作用下流动。前者称为强迫对流,而后者称为自然对流。
    在啤酒发酵主酵期,将产生大量的热量和二氧化碳。为了即时地将热量通过冷却夾套由冷却介质带走,换热方式必须是对流换热,而锥形罐的这种结构形式和发酵液本身所具有的特性,在发酵时不用机械搅拌就能形成强烈的自然对流。我们可以在发酵液中取出一个流体微团来进行研究。
    在底部的流体微团,生化反应进行中产生的热使得其体积膨胀密度减小;伴随着产生的二氧化碳—部分以气泡形式向上升,另一部分溶入液体内,越是在底部的流体微团由于静压的影响溶解量也就越多。以上因素都使得底部的流体微团有一向上的作用力,使其反重力方向向上运动。而位于上部分靠近冷却夹套的流体微团,由于被冷却体积缩小密度增大,在重力作用下向下运动。当原来底部的液体微团到达上部以后,由于流体的连续性,在罐内壁上部的液体微团经冷却后向下运动时,就流向罐壁,然后随着前面向下运动的流体一起向下运动,并在运动中将增加的那部分热量交给冷却夹套中的致冷介质。这时,流体微团是在重力作用下运动,有一定速度,若想使速度保持不变就需将运动过程中不断产生的生化热在下一冷却夹套中被带走。因此,那种认为在主发酵期, 温度的设定值从上往下逐渐升高以加强对流的说法毫无科学道理,恰恰相反那样做将是削弱对流。罐内液体在此期间形成了中间向上,四周向下的强烈对流,向上的推动力是浮力,向下的作用力是重力,在这两种力的作用下使流体产生上下循环流动。而在中间和外层之间,由于流体粘性力的作用会形成旋涡,使内外层热冷流动层之间的流体微团之间产生质量交换,热量也随着迁移,称为传质传热。所形成的这种大循环流动不仅能大大提高换热效率,且使罐内温度较为均匀,相当于机械搅拌的效果,这是锥形罐发酵最大的优点之一。
    根据我们测试的数据表明:在主发酵期内,罐体内壁一米以内的温度不均匀性小于0.5℃。因此完全没有必要将温度计插入很深,那种在温度计插入深度上做文章是沒有科学根据的,温度计的插入深度只要达到外界温度变化不影响测量即可。那种又粗又长的温度计用在这里毫无道理,何况还不易清洗灭菌。一般用30厘米长的铂电阻就可以。按我个人的看法,温度计根本就不用伸入罐内,用表面温度计贴紧在罐外壁上,同样可以用来控制通过由致冷介质带走的热量,但必须对整支温度计采取严密的绝热措施,测量导线也需進行防止热量传入到感温部分的措施。由于这时罐内壁己无他物,清洗灭菌非常方便且效果好,对提高啤酒品质大有好处。当然,做到完全绝热或者说外界温度变化对温度测量毫无影响是不可能的,但是若我们事先考虑到这一影响,并加以修正还是完全可行的。这种控制方式不仅在国外,而且在国内己经被采用,如在北京燕京啤酒的部分发酵罐就是采用的表面温度计。
   在主酵期的温度控制—般都问题不大,比较好控制。在降温阶段也不存在太大的问题,只要很好地控制降温速率,逐步地减缓对流强度以利于酵母沉降。大量酵母排出以后再继续降温,这时问题就出现了。由于此时大量酵母己经排出,留下来的酵母的生物活性由于温度降低而降低,所产生的生化热也随之减少,对流速度大大减缓,但是在温度高于酒液的密度最大点3℃的情况下,罐内酒液的流动仍然是中间往上,四周往下。再继续降温到密度最大奌3℃时,在罐壁内侧的流体微团的体积己缩到最小,若再进一步降温时流体微团的体积反而增大即密度减小,产生一向上的浮力来滞止向下的流动,进而改变方向向上运动,当流体微团离开冷带以后,由于自热和外界热量传入,温度上升密度又变大,运动又被滞止且改变方向向下,产生局部环流,这样在罐内就形成不了整体大环流,产生较大的温度梯度。产生这一现象的原因固然是由于水的特性所引起,但是与温度控制方案也有关系。 
    当流体流动方向改变时,用以控制温度的温度计的位置也应随之转换,使其仍然处在换热器的出口。换句话说,在温度高于密度最大时,流体是向下流经冷带,温度计应放置在冷带下方;当低于密度最大点后,流体是向上流经冷带,温度计应放置在冷带的上方。这样才能控制由致冷介质带走的热量,否则当流动方向改变而温度计位置依旧,就相当于在换热器的進口插支温度计,显然根本就无法控制温度,不仅仅形成不了大循环,而且最上层还很容易结冰。 6D&{+;  
为了解决这个问题,有人提出了不少办法:提前刹车、模糊控制、专家系统等等,不能说不行,只能说是未能抓住其本质。若温度计位置依旧在冷带下方,相当于酒液从换热器出口流出后在外面转了一圈后再回到换热器进时才知道酒液的温度,这样不仅仅在时间上滞后,而且在外面转一圈的换热情况将受许多因素的影响,因此,这不是一种很科学的办法,科学的办法就是根据控制温度就是控制可控传热渠道交换热量的基本概念,在流动方向改变时应及时地变更温度检测奌的位置,应当舍弃原来位于冷带下方的温度计,而用位于冷带上方的温度计作为控制温度的检测温度计。这时控制的主要是锥底部分的冷带,有时还需控制圆柱部分体下面的冷带,最上面即位于液面附近的温度计仅作为监视不起控制作用。
    当然,若罐的直径过大,或罐的保温效果欠佳,也会形成较大的温度梯度,此时可用罐底二氧化碳吹气的办法增强内部热交换,使罐内温度趋向均匀。
五,评价温度控制系统的几点看法
    温度控制系统一般都采用闭环控制,即由传感部分从控制对象采集被控参数信号,传至调节器与设定值比较,根据比较结果调节器输出控制信号给执行机构,调节控制对象的被控参数。控制对象是闭环中很重要的一环,以上讨论的问题大部分都与此有关,不要以为我们有了温度计、调节器和执行机构,就能使温度控制稳定且均匀。首先必须对控制对象的热结构有一科学的分析,正确地选用温度计并确定其安装位置,否则就可能产生温度来回波动和较大的温度梯度。因此,在评价一温度控制系统时,首先要看控制方案中的热结构分析,这是前提和基础。
    其次,在工业生产中, 可靠性始终是放在第一位的,无论是机械的还是电子的,在满足功能的情况下,越简单,中间环节越少可靠性就越高。就整个温度控制系统而言,最重要的是传感部分和执行机构,这两部分的故障率据美国著名的霍尼威尔公司统计:传统的控制系统有近80%的故障是由传感部分和执行机构的故障而产生,而其中传感部分占45%。因此,提高可靠性的重点是传感和执行两部分,而不是其他。这—奌往往容易被忽视,尤其是对从事计算机工作的人员,他们的注意力往往放在计算机的软硬件上,而忽视了其他控制环节。在我国刚推广使用计算机控温时,经常出故障,有人就认为用计算机控温不行,实际上不是计算机的问题,而是其他环节的问题。
    再谈一下“先进性”问题,在市场经济情况下,只有有经济回报或称为有价值回报的“先进性”,那种无价值回报的所谓“先进性”毫无意义。一个系统并不是因为你采用了某项新技术或新组件,整个控制系统就先进。整个系统的先进性,应当从整个控制环节来全面评价,且并非一成不变,应该根据实际情况而改变。何况到底是否先进应由用户,用实际的经济指标来说话。

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