Terug naar overzicht

Energieregels bij het brouwen

juni 2020
Door: Ton de Kok

ENERGIE REGELS BIJ HET BROUWEN, EEN NUTTIGE BLOEMLEZING VAN DE MOGELIJKHEDEN

Ik ben al een tijdje bezig om een ontwerp te maken voor een RIMS. Dat is een systeempje om je brouwproces te automatiseren. Als voorbereiding heb ik eens bekeken hoe de meesten hun brouwketel verwarmen. Dat zijn bij de amateurs eigenlijk maar twee manieren, namelijk elektrisch of met gas! Ik wil in mijn systeem beide soorten kunnen regelen met dezelfde software. Daarom gaan we de problemen die zich voordoen wat nader bekijken.

Gas
Allereerst bij gas wordt vaak de kraan wat verder open of dicht gedraaid om de hoeveelheid warmte te regelen. Dit is mooi als je er bij staat en enige gevoel hebt voor het verloop van de temperatuur. Je zult merken dat als je de kraan dicht draait, de temperatuur toch nog oploopt. Dis het gevolg van de warmte-opslag in je brander en de ketel. We zullen hier rekening mee moeten houden! Nu is het gebruiken van een klep die diverse standen kan innemen, een zogenaamde proportionele klep, een dure aangelegenheid. Doch hier voor is een simpele oplossing. Gebruik twee simpele aan/uit kleppen met een verschillende doorlaat. We hebben dat in afbeelding 1 weergegeven met het symbool van een tweetal kleppen (zonder besturingsgedeelte), waarbij de groot getekende klep die met de grote doorlaat, en de kleine getekende die met de kleine doorlaat voorstelt.

202006_Energieregels_afb_1
Afbeelding 1:
Voor de regeling maken we gebruik van een aan/uit regeling van de kleppen. Of de grote danwel de kleine klep afzonderlijk of alle twee tegelijk open.
Door nu de temperatuur te meten (in meet- en regeltechniek ”actual value” genoemd) en te vergelijken met de gewenste waarde (Setpoint) kunnen we het verschil bepalen. Afhankelijk van de afwijking sturen we de grote of kleine klep aan. Dit heet een proportionele regeling. Eerst zetten we de grote klep in en vervolgens als we in de buurt van de gewenste waarde komen, gebruiken we de kleine klep. Zaak is de grote klep eerst te openen, en daarna de kleine te sluiten. Ook kan men gebruik maken van een waakvlam zoals in geisers en fornuizen.
Daar we een bepaalde temperatuur gradiënt willen aanhouden, dus een aantal graden stijging per tijdseenheid, kan het gebeuren dat de grote klep teveel gas doorlaat. Dit regelen we dan tijdsproportioneel.

Wat is dit?
Hierbij zetten we de klep een bepaalde tijd open, in die tijd stijgt de temperatuur een bepaalde waarde. Daarna laten we hem een tijdje dicht, waarbij de opgeslagen energie uit de brander en de ketel het brouwsel verder verwarmen. De temperatuur zal door de grote warmte-inhoud gelijkmatig stijgen. Dit soort regeling kent u waarschijnlijk van de magnetron of inductie-kookplaat, welke op dezelfde manier het vermogen regelen.

Opmerking: vele regelaars die in de handel voor rond de 100 Euro te koop zijn kunnen ook op dit soort regeling geprogrammeerd worden.
Verder zij ze vaak uitgerust met een functie “auto tuning” of “self tuning” waarbij de regeling zelf de parameters voor de regeling bepaalt door het proces een aantal malen te onderbreken en te kijken wat er gebeurt. Ik kan later nog kijken hoe ik dit ga uitwerken.

Electrisch
Bij de elektrisch verwarmde ketels ligt de zaak iets moeilijker. Bij een 3-fase verwarming zullen er veelal 3 verwarmingselementen zijn. Deze kunnen in ster- of in driehoek geschakeld zijn. Daar deze bij de hobby brouwers weinig voorkomen laat ik deze buiten beschouwing.
Maar heeft er iemand behoefte aan enige regel mogelijkheden bij zo’n constructie kan hij contact met mij opnemen.

202006_Energieregels_afb_2
afbeelding 2
In afbeelding 2 zien we een schakeling bestaande uit twee verwarmingselementen (R1 en R2). Voor de leken op elektrisch gebied: de bovenste lijn is de fase (Bruine draad in je stopcontact) en de onderste de nul (Blauwe draad).
Het symbool bij de A is een maakcontact. Dit kan van een schakelaar zijn of een relais. Een relais is schakelaar die elektrisch bediend wordt. Er kan één, maar ook meerdere kontakten door één relais geschakeld worden.

Het andere symbool bij de B is een wisselcontact. ( die staat of naar links of naar rechts). Als B bediend wordt zal het contact links onder sluiten en het contact boven R2 naar rechts schakelen en zo kan er stroom gaan lopen door R2.

Gebruikelijk is de contacten te tekenen in de stand onbediend. Dus contact A is open en wisselcontact B vormt een verbinding tussen R1 en R2, maar is open tussen de fase en R2.

Worden ze beide bediend dan vormt A een verbinding van de fase naar R1 en via het onderliggende contact B een verbinding met de nul waardoor R1 de volle netspanning krijgt.
Via het wisselcontact B krijgt ook R2 de volle netspanning. In dit geval hebben we dus het maximale vermogen.
Bedienen we echter alleen A, dan zullen beide verwarmingselementen in serie staan. Er van uitgaande dat beide elementen gelijk zijn, zal over elk element de halve netspanning staan.

Er geldt: P=U x I, waarin P (power) het vermogen is, U de aangelegde spanning en I de stroom. De stroom wordt bepaald door de formule I= U/R, waarbij de weerstand (R) de Ohmse weerstand van het verwarmingselement is. Vullen we voor U. 1/2U in waarbij we U als de netspanning (Meestal 230V) nemen dan blijkt : Bij de serie schakeling is P=(UxU/2)xR! . Dit is ¼-de van als de beide elementen direct op de netspanning zijn aangesloten.

Als we alleen B bedienen, zal alleen element R2 op de netspanning zijn aan gesloten. We hebben dan de helft van het maximale vermogen.
In afbeelding 3 hebben we nog een variant met slechts een verwarmingselement. Hierbij staat contact B in serie met een diode en het element. De diode kan met contact A worden overbrugd.

202006_Energieregels_afb_3

Een diode is een component die de stroom maar in één richting door laat.
Onze netspanning wisselt 50 maal per seconde van richting zodat er, als de diode gebruikt wordt er maar de helft van de netspanning op het verwarmingselement terecht komt. Dus slechts ¼-de van het vermogen!

 

 

202006_Energieregels_afb_4
In Afbeelding 4 hebben we de diverse mogelijkheden overzichtelijk in een tabel samengevat. Een 0 betekend contact open of klep dicht, een 1 is gesloten contact of een open klep.

In een volgend artikel wil ik wat meer over mijn project schrijven, om dit te automatiseren tegen minimale kosten. Ik wil daarbij gebruikmaken van een Arduino microprocessor systeem.

Door Ton de Kok met tekentechnische ondersteuning van Peter Mermans.

Terug naar overzicht