Теплообменники классического типа с использованием холодной воды можно подразделить на две категории: аппараты наружного (рис. 15.9) и внутреннего теплообмена (рис. 15.10).
Охладители, расположенные вне резервуаров.
В такой системе вино циркулирует в теплообменнике, находящемся вне резервуара. Это наиболее распространенный способ. Он позволяет устанавливать теплообменник на постоянное место (там, где удобнее) и обеспечивает высокую производительность (от 60 до 350 гл/ч в зависимости от модели). К сожалению, при этом способе требуется перекачка вина, т. е. использование специального насоса. Можно вызвать аэрацию вина забором воздуха в цепь перекачки. Теплообменник обслуживает одновременно только один резервуар. Если один и тот же комплект оборудования применяют для охлаждения белых и красных вин, то после каждой операции необходимо промывать винопроводы и системы. Не исключается опасность забивания или
Рис. 15.9. Схемы винодельческих теплообменников (схемы Пепин и Гаске):
а — оросительный охладитель; б — пластинчатый охладитель; в — трубчатый охладитель с мешалкой; г — охладитель струйного орошения водой.
поломок насоса. Наконец, требуется непрерывное наблюдение во время работы, частые включения, отключения и технический уход.
Трубчатые теплообменники относятся к числу наиболее распространенных; их нетрудно изготовить с помощью трубок из нержавеющей стали диаметром около 40 мм. Промышленные аппараты имеют трубы общей длиной от 40 до 120 м. Змеевики могут быть со струйным охлаждением водой или погруженные в водяной бассейн.
Рис. 15.10. Схемы теплообменников внутреннего типа:
а — трубчатый; б — пластинчатый; в — змеевиковый.
Теплообменники струйного охлаждения.
Теплообменники такого типа состоят из горизонтально расположенных трубок с простыми или двойными схемами оборота, включаемыми параллельно. Трубки перекрывают одна другую и охлаждаются через свою наружную поверхность струями воды, которая частично испаряется. Желоб, находящийся в верхней части, обеспечивает распределение свежей воды по всей длине охладителя, а бак, расположенный внизу, собирает использованную воду. Такие аппараты могут перемещаться на колесах.
Погружной охладитель.
Такой охладитель погружен в бассейн, обычно установленный неподвижно (на постоянном месте), но может быть также и передвижным в пределах бродильного отделения.
В обоих случаях важное значение имеет своевременная смена воды, количество которой должно быть не менее объема вина, а зачастую и намного больше. При этом нагретую воду можно собирать и пускать снова в оборот, предварительно пропустив ее через воздухоохладитель.
Пластинчатый охладитель.
Теплообменник пластинчатого типа состоит из комплекта пластин нержавеющей стали с рифленой поверхностью, смонтированных на раме подобно пластинчатым фильтрам. Занимая немного места, такие теплообменники представляют определенный интерес, поскольку они обладают большей теплообменной способностью по сравнению с трубчатыми теплообменниками. Но пластины должны быть достаточно удалены одна от другой, чтобы избежать застревания между ними семян, обрывков мякоти, винного камня или очень мелких частиц, находящихся во взвешенном состоянии. В этом заключается их основное неудобство.
Охладители, находящиеся внутри резервуаров.
Такие теплообменники монтируют внутри винных емкостей на весь сезон или же периодически, по мере надобности. Они исключают перекачку вина и позволяют охлаждать одновременно несколько резервуаров., С другой стороны, при равных площадях теплообмена интенсивность его у этих аппаратов ниже, чем у аппаратов наружного типа, так как вино не так быстро перемещается возле стенок охладителя. Следовательно, этот недостаток нужно компенсировать более длительными периодами охлаждения, достаточно большими площадями теплообмена (часто трудно реализуемыми вследствие малых отверстий люков резервуаров и высокой стоимости), перемещением вина около стенок теплообменника или же пропусканием через его трубы сильно охлажденной жидкости (например, воды с добавлением гликоля, охлажденной в холодильной установке). Этот способ мало применяется на крупных винзаводах, иногда им пользуются в мелких, частных хозяйствах. Теплообменники этого типа чаще всего бывают пластинчатыми или трубчатыми. Такие аппараты относительно дешевы. Их выполняют из нержавеющей стали или из стали, покрытой аральдитом.
Все эти теплообменники могут работать с горячей водой для подогрева сусел и вин; но в этом случае вместо струйного орошения снаружи целесообразнее иметь закрытую систему с двумя или тремя концентрическими теплоизолированными трубками. Эти теплообменники могут принимать ледяную воду (при 5—10°С), поступающую из холодильной машины.
Воздухоохладители (рис. 15. 11).
Это аппараты, которые обеспечивают рекуперацию воды, использованной в теплообменниках, путем ее охлаждения. Температура понижается почти до температуры влажного термометра с расхождением в два градуса (выше) в хорошо рассчитанных аппаратах. Принцип действия заключается в том, что вода распыляется при падении под сильным воздействием противотока воздуха, естественного или принудительного. Эти аппараты состоят из следующих основных узлов: электронасоса, распылительной установки, одного или нескольких вентиляторов, отражательных (направляющих) листов, способствующих аэрации воды, бассейна для приема свежей воды с поплавком на постоянном уровне, обтекателя.
Рис. 15.11. Схема воздухоохладителя воды:
1 — кожух принудительной вентиляции; 2 — сборник воды; 3 — вентилятор.
Часть воды (около 2—5 % ) испаряется, унося часть теплоты испарения от воды, которая собирается внизу аппарата. При свежем и достаточно сухом воздухе (60—75% влажности) эти охладители очень эффективны. Но их эффективность резко снижается, когда воздух уже насыщен влажностью (случай, когда теплообмен происходит только за счет теплопроводности).
Комбинированные аппараты.
Комбинированные теплообменники типа аппарат трубчатый + воздухоохладитель в настоящее время находят все более широкое применение, особенно на кооперативных винзаводах, где их устанавливают стационарно. Покупка многих машин одним и тем же предприятием не всегда целесообразна экономически. Вместо увеличения числа воздухоохладителей достаточно приобрести один водяной экономайзер достаточной мощности, который будет обслуживать серию теплообменников, обеспечивая определенную экономию средств. При этом достигалось бы значительное упрощение работы персонала, поскольку передвижные теплообменники будут находиться возле резервуаров.
Расчет теплообменников.
Расчет этих аппаратов проводят на основе довольно сложных данных, которые не всегда доступны практикам. С другой стороны, условия среды, состояние атмосферы и степень чистоты поверхностей аппаратов вносят в вычисления элемент неточности. Здесь нет возможности привести большое число экспериментальных данных, накопленных французскими исследователями в этой области в течение последних десяти лет. Автор рекомендует обратиться к работам по этому вопросу, которые провели Мадерн (1968), Дормуа 1971), Франсуа (1971), Сабуа и Мезиер (1968), Жаке и сотрудники (1972). В последней публикации автор приводит метод расчета теплообменников. В качестве примера можно привести следующие данные относительно охлаждения вин в процессе брожения и после нагревания применительно к винзаводам юго-запада Франции.
Пример 1. Трубчатый теплообменник классического типа, состоящий из 20 трубок из нержавеющей стали диаметром 40 мм и общей длиной 80 м, действующий на принципе струйного охлаждения оборотной воды, пропущенной через воздухоохладитель, позволяет понизить температуру 200 гл красного вина в железобетонном резервуаре на 6°С в течение 2 ч при производительности 90 гл/ч.
Пример 2. Трубчатый теплообменник принимает охлажденную воду при 11—12°С, использованную для охлаждения белого сусла до осветления. Вода охлаждается небольшой холодильной установкой мощностью 15000 ккал/ч. Охладитель имеет 14 трубок из нержавеющей стали диаметром 40 мм и общей длиной 36,4 м. Сусло, поступающее с температурой 22°С, охлаждается до 15°С. Производительность, равная 20 гл/ч, может изменяться, так как насос снабжен вариатором режима, регулирующим температуру на выходе. После снятия с осадка сусло направляли в резервуары из стали с защитным покрытием вместимостью 122 гл под навесом, у которых струйное охлаждение водой с применением джутовой ткани предотвращает поднятие температуры выше 18°С. В данном случае тепловой баланс выразится, исключая потери, в следующем виде: теплота, потерянная суслом, равна теплоте, приобретенной водой.
Этот баланс близок к такому: 1 ккал Х 2000 л · (22—15) = 1400 ккал.
Внутренние теплообменники, состоящие из пластин или из медной трубки, свернутой в спираль, в которой циркулирует свежая вода, позволяют поддерживать в железобетонных резервуарах вместимостью от 150 до 200 гл температуру ниже 25°С при условии, что они находятся в жидкости постоянно. Расход воды составляет 2—3 м 3/ч.
В 1973 г. техническая секция И. Т. В. в Туре провела опыты с пластинчатым теплообменником, во время которых отметила следующие параметры за первый час работы:
Температура воды, °C поступающей 14 выходящей 26, 24
Расход, гл/ч 15
Температура сусла, °C поступающего 29 выходящего 25
Расход, гл/ч 40
Тепловой баланс этого аппарата равен 16000 ккал.
Для подогрева вин во время яблочно- молочного брожения были проведены эксперименты (Жаке и сотрудники, 1974) с пластинчатыми теплообменниками внутреннего обогрева с пластинами площадью теплообмена 1 м2. Для опытов использовали резервуары из нержавеющей стали вместимостью 156 гл, установленные на железобетонных емкостях в малоизолированном от внешней среды бродильном отделении. Распределение теплой воды по типу центрального отопления, в верхней части резервуаров обеспечиваемое газовым котлом мощностью 8000 ккал, позволило поддерживать температуру вин в пределах 18—20°С, тогда как температура окружающего воздуха была от 9 до 11°С. Теплота, рекуперированная вином, соответствовала 90% мощности котла. Проведенные измерения позволили вычислить, что такой котел и единственный теплообменник, используемые последовательно для каждого резервуара, обеспечивают поддержание температуры вина в объеме 1200 гл в пределах от 18 до 20°С. Такое же количество теплоты могли бы обеспечить три нагревательные печи (две мощностью по 3 кВ и одна 2 кВ), но это сравнение показывает, что при достаточно большом бродильном отделении эта мощность очень быстро оказалась бы недостаточной.
Моноблочные охладители.
На юго- западе Франции моноблочные охладители (теплообменник + воздухоохладитель) достаточны для поддержания нужных температур брожения красных вин, так как вода, поступающая из воздухоохладителей, имеет температуру 18—20°С вопреки тому, что констатируют на юге страны (22—24°С). Зато эти установки не обеспечивают получения достаточно прохладной воды для приготовления белых вин текущего потребления, когда необходима температура 18—20°С. Работы, проведенные на кооперативном винзаводе Монбазияк в 1972 г. с белыми винами (Жаке и Калед, 1972) с целью сравнения действия двух аппаратов, выявили ряд интересных моментов:
когда операция начинается нормально (до восхода солнца), разница температур на входе и выходе редко превышает 3°С за день (например, 25 и 22°С), т. е. результат получается нормальный. Более резкие различия в температурах, о которых иногда объявляют конструкторы, не доказывают эффективности этих охладителей;
охладительная способность аппаратов колеблется (например, от 50 000 до 150 000 ккал/ч) в зависимости от атмосферных условий и температуры сусел при входе в охладитель для производительности, поддерживаемой постоянной (270—300 гл/ч);
расход воды близок к объему испаряемой воды (3—5% от общего объема воды, находящейся в обороте);
результаты операции показывают повышение теплообразования на 15% в ночное время, несмотря на насыщенность атмосферы водяными парами (влажность 95%), вследствие очень низкой температуры атмосферы (от 0 до —5°С);
при хорошей организации работы аппараты можно использовать круглосуточно с коэффициентом отдачи 80— 85%.
Другие виды теплообменного оборудования
Блоки холодильных устройств применяются на всех винзаводах при недостатке воды для охлаждения.
Такое оборудование часто используется в качестве хладогенераторов для охлаждения сусел во время брожения и для обработки вин перед розливом.
В виноделии для охлаждения применяют холодную воду (см. предыдущие примеры), например при 10—12°С, или непосредственно понижают температуру, когда испаритель машины погружают прямо в резервуар или же пропускают сусло через охлажденный бак типа молочного танка. Решение о выборе того или иного способа использования такого оборудования следует принимать после тщательного изучения вопроса, так как холодильные устройства требуют большого количества электроэнергии (например, для работы холодильного блока производительностью 220 000 ккал/ч требуется установленная мощность 84 кВт). В стадии разработки находится другая система оборудования. Речь идет о так называемых тепловых насосах. Тепловой насос, или термопомпа, — это аппарат, предназначенный для передачи тепла из такого места, где температура низкая, но общее количество тепла, которое можно использовать, велико (например, река), к месту, где температура выше (например, здание винзавода).
При эксплуатации такой установки одна калория теплоты обходится почти в шесть раз дешевле, чем при использовании топлива. В настоящее время эти машины по своим размерам больше подходят для кооперативных вин- заводов. Направления возможного использования могут быть самыми различными: подогрев сусел и вин, отопление помещений (существуют тепловые насосы воздух — воздух), рекуперация теплоты, когда в одно и то же время проводят нагревание, охлаждение и др.
Нужно также отметить такие нагревательные приборы, как актинизаторы. Здесь можно ограничиться лишь упоминанием о применении аппаратов для отопления помещений или кондиционирования воздуха. Из них наиболее известны аэротермы (обогреватели воздуха), а также центральное отопление бродильных отделений горячей водой или паром посредством конвекторов воздуха (радиаторов), которое можно также использовать и для подогрева вин. Климатизаторы (климатические установки) не получили большого распространения, но их можно с успехом применять в помещениях для хранения вин, где термическое сопротивление помещений недостаточно (или слишком дорого) для борьбы с летней жарой. Наконец, отсасывающие вентиляторы широко используются в бродильных отделениях для обеспечения принудительной вентиляции.
Авторы предлагают метод расчета объема перемещаемого воздуха, для того чтобы обеспечить охлаждение бродящего сусла. Если не учитывать теплоту, уходящую за счет радиации стенок (происходит взаимное поглощение теплоты, излучаемой соседними резервуарами), то передача теплоты осуществляется за счет насыщения воздуха водяными парами и повышения температуры его. На юго- западе Франции согласно атмосферным условиям и данным таблиц констатируют, что воздух может насыщаться водой в количестве от 0,5 г (ночью и в дождливую погоду) до 4 г (в теплые сухие дни) на 1 м3, т. е. поглощать от 0,29 до 2,32 ккал/м3. Такой воздух нагревается ночью несколько больше, чем днем (около 0,3 ккал/град С-м3). На основе этих данных можно рассчитывать размеры вентиляторов воздуха.
