بهبود فرآیند دم کردن آبجو با شبیه سازی

دو جنبه دم کردن خانگی وجود دارد: جنبه آشپزی و مهندسی. بسیاری از دوستداران آبجو شروع به دم کردن می کنند تا یک دستور غذا را بهبود ببخشند، سعی کنند آبجو مورد علاقه خود را شبیه سازی کنند، یا حتی برای اینکه ببینند چگونه کار می کند. با این حال، پس از دم کردن چند دسته، معلوم می شود که فرآیند دم کردن نیز می تواند از نقطه نظر مهندسی بسیار چالش برانگیز باشد.

ساعت آبجو است

در حالی که دارم این را می نویسم، جمعه است و هفته طولانی و بسیار پرباری را سپری کرده ایم. احتمالاً شما هم مثل من این سوال را دارید که بعداً چه نوع IPA را با ناچوهای خود سفارش خواهید داد. ما بسیار خوش شانس هستیم که به لطف افزایش اخیر آبجوهای دست ساز، چنین مجموعه گسترده ای از آبجو در ایالات متحده موجود است. اما به جای رفتن به آبجوسازی محلی خود، می‌توانیم یک قدم جلوتر برویم و سعی کنیم آبجوی خودمان را بسازیم.

در اینجا، ما یک دوره آموزشی در مورد دم کردن آبجو به شما می دهیم و توضیح می دهیم که چگونه می توانید فرآیند دم کردن را با شبیه سازی CFD بهبود بخشید. هدف اصلی این است که بفهمیم چگونه پنج گالن آب جوش را در اسرع وقت خنک کنیم. اما، اول: برخی زمینه ها.

نحوه دم کردن آبجو: 101

درست کردن آبجو خود نسبتاً ساده است. اگر می توانید چای درست کنید، احتمالاً می توانید آبجو درست کنید.

در اینجا لیست هفت مرحله من برای دم کردن آبجو آمده است:

1. این فرآیند با خیساندن جو مالت ترک خورده در آب داغ در حدود 150 درجه فارنهایت تا 160 درجه فارنهایت به مدت یک ساعت شروع می شود. برای آبجوسازی های خانگی، این کار معمولاً در یک خنک کننده انجام می شود، به طوری که مخلوط در دمای ثابت باقی می ماند. خیساندن جو نشاسته را به قند تبدیل می کند تا مخمر آن را در مرحله تخمیر راحت تر مصرف کند.
2. پس از یک ساعت، مایع به‌دست‌آمده، مخمر ، به یک کتری منتقل می‌شود و در آنجا به مدت یک ساعت (یا تا دو ساعت برای برخی از IPA‌های قیف‌تر) می‌جوشد. رازک در طول فرآیند جوش اضافه می شود. افزودنی‌هایی که در اوایل فرآیند جوشیدن ایجاد می‌شوند به تلخی آبجو کمک می‌کنند، در حالی که رازک اضافه شده بعداً به طعم رازک که بیشتر ما دوست داریم کمک می‌کند. برای رازک ترین آبجوها، رازک بیشتری درست پس از مرحله جوش یا چند روز پس از فرآیند تخمیر اضافه می شود. رازک به عنوان یک عامل نگهدارنده نیز استفاده می شود.
3. در مرحله بعد، قبل از اضافه کردن مخمر برای شروع فرآیند تخمیر، مخمر را در سریع ترین زمان ممکن خنک می کنیم.
4. حالا باید چند روز صبور باشیم و بگذاریم مخمر جادوی خودش را بکند.
5. پس از مدت زمان تعیین شده، مقداری شکر به نتیجه اضافه می کنیم، آبجو را بطری می کنیم و نام آن را می گذاریم. فعلاً آن را hopsol 1.0 بنامیم .
6. یک مرحله خسته کننده دیگر… باید چند هفته صبر کنیم تا شکر اضافه شده بطری ها را کربناته کند.
7. در نهایت: می‌توانیم محصول خود را بچشیم، به آن ببالیم و این روند را تکرار کنیم.

این روال استاندارد است. اما، وقتی می‌توانیم فرآیند را بهبود ببخشیم، چرا به استاندارد بسنده کنیم؟ اکثر مراحل فوق را می توان با شبیه سازی بهینه کرد. بیایید با مهم ترین مرحله شروع کنیم – مرحله 3: خنک کردن مخمر.

چگونه می توانید 5 گالن خار مریم را با بیشترین سرعت ممکن خنک کنید؟

در مرحله 3، مخمر در حال جوش به چند دلیل باید خیلی سریع خنک شود.

اول از همه، باید به اندازه کافی خنک باشد تا مخمر زنده بماند. دوم، خنک کردن آن تولید ترکیبات گوگردی و سایر آلاینده‌ها را در طول فرآیند خنک‌سازی محدود می‌کند. این ترکیبات با طعم های بد در آبجو نهایی همراه هستند. در نهایت، برخی از پروتئین‌ها باید شوک حرارتی داشته باشند تا رسوب کنند.

ما به جزئیات این دلایل نمی پردازیم، زیرا ترجیح می دهیم روی جنبه مهندسی این فرآیند تمرکز کنیم. اندازه یک دسته دم نوش خانگی معمولی بین پنج تا ده گالن است. مشکل خنک کردن مایع به سرعت در یک مجموعه صنعتی حتی سخت تر می شود، جایی که مقدار خار مریمی که باید خنک شود بسیار زیاد است.

چند ایده در مورد چگونگی ادامه دادن

1. اضافه کردن یخ به کتری

من در یوتیوب دیده ام که ممکن است سعی کنید یخ را در کتری در حال جوش بریزید. من این را توصیه نمی کنم زیرا ممکن است آلاینده هایی را در آبجو ایجاد کند و آن را رقیق کند.

2. قرار دادن کتری در حمام یخ

در مورد قرار دادن کتری در حمام یخ در سینک آشپزخانه خود چطور؟ در حالی که این ارزان ترین راه است، اما کارآمدترین راه نیست. من به شما این امکان را می دهم که خودتان با استفاده از رابط انتقال حرارت مزدوج (که در ماژول CFD و ماژول انتقال حرارت وجود دارد ) متوجه شوید.

خنک کردن کتری در یک حمام یخ می تواند بسیار شبیه به آموزش مدل همرفت آزاد در یک لیوان آب که در گالری مدل ما یافت می شود.

همرفت آزاد در یک لیوان آب.

این مدل انتقال گرما و جابجایی آزاد یک لیوان آب سرد گرم شده تا دمای اتاق را درمان می کند. در ابتدا، لیوان و آب در دمای 5 درجه سانتیگراد قرار می گیرند و سپس روی میزی در اتاقی با دمای 25 درجه سانتیگراد قرار می گیرند. مشکل خنک‌سازی کتری جوشان را می‌توان با تنظیم دمای اولیه مخمر روی 100 درجه سانتی‌گراد و دمای دیواره خارجی روی 0 درجه سانتی‌گراد، مدل‌سازی کرد.

3. از یک چیلر خارمریم استفاده کنید

روش دیگر، ما می توانیم از یک چیلر خار مریم استفاده کنیم. چیلرهای اولیه از یک لوله هلیکوئیدی بلند تشکیل شده اند که در پایان فرآیند جوشش در کتری فرو می برید. سپس آب سرد را از سینک خود وارد لوله می‌کنید تا مخمرها خنک شوند.

طرحی از یک چیلر خار مریم.

همانطور که می توانید از شکل استنباط کنید، روش مدل سازی برای این چیلر خار مریم با روشی که در مدل مشکل گرمایش زمین گرمایی ما در حلقه حوضچه یافت می شود یکسان است :

در این مثال، یک حوض به عنوان یک مخزن حرارتی استفاده می شود و سیال در زیر آب از طریق لوله های پلی اتیلن در یک سیستم بسته به گردش در می آید. این مدل متوجه می شود که چه مقدار گرما از حوضچه به سیال کار در لوله ها منتقل می شود. برای این منظور، رابط جریان لوله غیر همدما معادلات دما و جریان سیال در سیستم لوله را تنظیم و حل می کند.

در رابط فیزیک جریان لوله، لوله ها به جای لوله های سه بعدی واقعی، با خطوط 1 بعدی نشان داده می شوند که بار محاسباتی چنین مدلی را به شدت کاهش می دهد. عکس فوری زیر یک طرح احتمالی برای چیلر خار مریم غوطه ور در کتری جوشان و میدان دمای مربوطه در داخل لوله ها را نشان می دهد:

همچنین می‌توانیم روش 2 و 3 را برای نتایج سریع‌تر ترکیب کنیم، به عنوان مثال، در حالی که کتری در حمام یخ است، از خنک‌کننده خارمرغ استفاده کنیم.

4. از مبدل حرارتی صفحه ای استفاده کنید

گزینه دیگر استفاده از صفحه تخت یا مبدل حرارتی خلاف جریان است. مبدل حرارتی وسیله ای است که گرما را از یک سیال به سیال دیگر منتقل می کند. آب، در ابتدا در دمای پایین و به عنوان خنک کننده استفاده می شود، در حالی که مخمر در حال خنک شدن است، گرم می شود. تصویر زیر یک مبدل حرارتی صفحه تخت را نشان می دهد.

مبدل حرارتی صفحه تخت برای خنک کردن آبجو در یک مؤسسه محلی “آبجوی خودت” استفاده می شود.

این نوع مبدل های حرارتی به دلیل ابعاد جمع و جور بسیار محبوب هستند. بسیاری از آبجوسازان از مبدل های حرارتی ضد جریان نیز استفاده می کنند .

شما می توانید این دستگاه ها را با پیروی از دستورالعمل های گام به گام در مدل مبدل حرارتی Shell-and-Tube مدل سازی کنید ، که اصول اولیه راه اندازی یک مدل مبدل حرارتی را نشان می دهد. در مدل، دو سیال جدا شده در دماهای مختلف از طریق مبدل حرارتی جریان می یابد، یکی از طریق لوله ها (سمت لوله) و دیگری از طریق پوسته اطراف لوله ها (سمت پوسته).

استفاده از مبدل حرارتی نه تنها سریع‌ترین راه برای خنک‌کردن مخمر شماست، بلکه کارآمدترین راه نیز هست. در واقع، بیشتر گرمای گرفته شده از مخمر به آب منتقل می شود. سپس می توان از این آب برای خیساندن دسته بعدی جو مالت دار استفاده مجدد کرد. اینجوری هیچ انرژی هدر نمیره!

نوبت شما برای بهبود فرآیند دم کردن آبجو با شبیه سازی است

در اینجا، ما مشکلات انتقال حرارت مزدوج، یک مدل جریان لوله و یک مدل مبدل حرارتی را مورد بحث قرار داده ایم. من شما را تشویق می‌کنم که این استراتژی‌های خنک‌کننده مختلف را در COMSOL Multiphysics مدل‌سازی کنید و ببینید چه چیزی بهترین کار را انجام می‌دهد. شما می توانید این مدل ها را با استفاده از ماژول CFD ، ماژول انتقال حرارت و ماژول جریان لوله تنظیم و حل کنید .

بعد از این همه مدل سازی، آبجو شما باید بسیار خوشمزه باشد و دوستان شما احتمالاً بیشتر می خواهند. وقت آن رسیده است که بزرگتر کنید و از مخزن همزن بزرگتر استفاده کنید تا دیگر نیازی به هم زدن دستی آن نباشد. مخازن اختلاط را می توان با استفاده از Mixer Module مدل سازی کرد ، که افزودنی به ماژول CFD است که به شما امکان می دهد مخلوط کن های سیال و راکتورهای هم زده را تجزیه و تحلیل کنید.

مدل مخلوط کن آشفته با پروانه سه پره. مدل همچنین شکل سطح آزاد را در نظر می گیرد.

اگر در مورد مدل هایی که در اینجا ارائه کرده ام سؤالی دارید، با تیم پشتیبانی فنی ما تماس بگیرید. اگر هنوز کاربر COMSOL Multiphysics نیستید و می‌خواهید درباره نرم‌افزار ما بیشتر بدانید، لطفاً از طریق این فرم با ما تماس بگیرید — مایلیم با شما ارتباط برقرار کنیم.