Het koelen van wort

HET KOELEN VAN WORT

Voordat we ingaan op de wetenschap en het ontwerp van wortkoelers, laten we enkele voordelen bespreken van het koelen van je wort.

Waarom je wort afkoelen?
Je kunt bier maken zonder maatregelen te nemen om je wort actief te koelen. Er is een methode genaamd "geen koeling" waarbij hete wort wordt overgebracht in een schoongemaakt verzegeld vat en een nacht wordt bewaard. De volgende ochtend wordt het overgebracht naar een gistvat en wordt de gist toegevoegd. Ik ben persoonlijk geen groot fan van "geen koeling" brouwen om de redenen die ik in de volgende paar paragrafen zal uiteenzetten, maar het kan worden gedaan, en je kunt nog steeds prima bier maken op deze manier.
Als je even “geen koeling” opzij zet, zijn er enkele voordelen aan het zo snel mogelijk koelen van je wort. Deze omvatten het verminderen van het risico op infecties, het verbeteren van de helderheid van je bier en het verminderen van het risico op vieze smaken.
Een van de belangrijkste redenen om je wort snel te koelen, is het verminderen van het risico op infectie. Zodra de worttemperatuur onder 60 °C daalt, bestaat het risico dat wilde gist of bacteriën je wort kunnen infecteren voordat je de kans krijgt om je gist toe te voegen. Hoe langer je in deze "lauwe" zone doorbrengt, hoe groter het risico.
Een tweede reden om je wort te koelen is dat het de helderheid van je bier verbetert. Wort bevat eiwitten en tannines die een bijproduct zijn van zowel hop als mout. Sommige van deze bijproducten slaan neer als onderdeel van de "hete breuk" wanneer je voor het eerst begint te koken. Als je je wort echter snel genoeg koelt, krijg je ook een aanzienlijke "koude breuk" van eiwitten, tannines en hopmateriaal dat neerslaat. Dit is wat brouwers de "trub" of het sediment noemen dat overblijft nadat je je wort hebt gekoeld. Omdat deze eiwitten en tannines een belangrijke oorzaak van waas zijn, zal het verminderen in dit stadium je een helderder bier geven.
Een andere reden om je bier snel te koelen is om het risico op dimethylsulfide (DMS) te verminderen, wat kan resulteren in een maïsmaak in het afgewerkte bier en is een bijzonder risico voor lagerbieren. DMS wordt gevormd door het verwarmen van een chemische stof genaamd S-methylmethionine (SMM), een aminozuur dat wordt gevormd tijdens de kieming en het eesten van de mout. Gelukkig zal een krachtig koken de DMS in het afgewerkte bier aanzienlijk verminderen, maar SMM blijft worden omgezet in DMS tot ver onder het kookpunt, dus je wilt geen hete wort laten zitten tot uren na het koken. Koelen elimineert dit risico snel.

De wetenschap van wortkoelers
Alle wort-koelers volgen de basiswetten van de thermodynamica en deze wetten regelen het ontwerp van de koeler.
Er zijn drie manieren om warmte over te dragen tussen een heet en een koeler object: straling, convectie en geleiding. Als we naar iets als een hete ketel met wort kijken, zijn alle drie deze principes van toepassing, maar geleiding is de primaire methode die wordt gebruikt in wortkoelers.
Straling is de overdracht van warmte via elektromagnetische golven. Alle objecten stralen energie uit via infraroodgolven. Je hete ketel wort straalt bijvoorbeeld wat energie uit naar de omgeving die je gemakkelijk kunt zien als je ernaar kijkt via een infraroodcamera.
Convectie treedt op wanneer een vloeistof, zoals je wort, wordt verwarmd of gekoeld. De verwarmde vloeistof heeft de neiging weg te stromen van de bron, waardoor hete lucht stijgt. Convectie creëert stromingen in vloeistoffen en gassen die warmte overdragen. Convectie vindt plaats in je hete ketel met wort, dat is de reden waarom je hete plekken of koele plekken in de ketel kunt krijgen terwijl deze kookt of koelt.
Geleiding is de laatste methode voor warmteoverdracht en omvat de directe overdracht van warmte tussen objecten die elkaar raken. Moleculen bij hogere temperatuur botsen met die bij lagere temperatuur en verhogen hun kinetische energie. Metalen geleiden ook elektriciteit extreem goed, omdat ze vrij bewegende elektronen hebben die snel energie tussen atomen overdragen. Dit is de hitte of koelte die je voelt als je je hand direct op een raam legt of een heet oppervlak aanraakt, en het is ook de belangrijkste methode om je wort te koelen.
Hoewel straling en convectie optreden wanneer je je wort koelt, zijn deze processen relatief langzaam. Je zou een hete ketel wort in de lucht kunnen laten staan en deze zal de energie langzaam wegstralen. Convectie zal uiteindelijk resulteren in een constante temperatuur in het wort terwijl het afkoelt, en wat energie zal ook rechtstreeks door de ketel en naar wat dan ook in je ketel worden geleid, maar het zal lang duren.

De geleidingsvergelijking
Aangezien geleiding het algehele ontwerp van koelers domineert, laten we eens kijken naar de basisgeleidingsvergelijking. Deze vergelijking veronderstelt dat je twee materialen hebt bij verschillende temperaturen zoals onze wort en koelwater gescheiden door een grensmateriaal zoals de koeler zelf.
Q = k x A x ΔT
Waarbij:
Q = Warmteoverdracht per tijdseenheid
k = Thermische geleidbaarheid van het gebruikte grensmateriaal
A = Gebied van de grens
ΔT = temperatuurverschil tussen wort en koud water
In woorden, de snelheid van warmteoverdracht is gewoon een product van de thermische geleidbaarheid van het grensmateriaal, het grensgebied en het temperatuurverschil tussen het wort en het koude water. Al onze moderne wortkoelers hebben wort bij een hoge temperatuur en gebruiken een soort waterbron van lagere temperatuur, zoals water uit een tuinslang of kraan aan de andere kant met een grens ertussen, dus de
vergelijking is van toepassing.

Bij het ontwerpen van een wortkoeler is het doel om de snelheid van warmteoverdracht Q te maximaliseren, omdat we het wort zo snel mogelijk willen koelen. Laten we dus eens kijken naar elk van de termen aan de rechterkant van de vergelijking om te zien hoe we een koeler kunnen ontwerpen die de overgedragen warmte maximaliseert.
De eerste term, k, is de thermische geleidbaarheid van het materiaal dat wordt gebruikt om het wort en koelwater te scheiden. Voor een efficiënte warmteoverdracht willen we misschien een materiaal kiezen met een hoge thermische geleidbaarheid. Het warmtegeleidingsvermogen van een isolatiemateriaal zoals Styrofoam is bijvoorbeeld erg laag bij ongeveer 0,03 W / (m K), terwijl roestvrij staal een geleidbaarheid k heeft van ongeveer 20 W / (m K) en koper zo hoog kan zijn als 392 W / (m K) in geleidbaarheid.
Het is niet verrassend dat de meeste wortkoelers van metaal zijn gemaakt, omdat het warmte goed geleidt en relatief eenvoudig te reinigen is met chemische middelen. Koper en roestvrij staal zijn de twee metalen die het meest worden gebruikt in zowel zelfgemaakte als commerciële koelers.

Omdat koper zo'n goede warmtegeleider is, wordt het vaak gebruikt door thuisbrouwers, hoewel roestvrij de commerciële markt domineert. Dit komt vooral door het feit dat roestvrij staal bestand is tegen corrosie wanneer het wordt schoongemaakt met commerciële reinigingsmiddelen.
De volgende term in onze vergelijking is A, die het warmteoverdrachtoppervlak tussen het koude koelwater en het hete wort voorstelt. Als we het gebied van de oppervlak kunnen vergroten, kunnen we ook de warmteoverdracht vergroten. Dit is het principe achter platenkoelers, die meerdere lagen dun metaal in een sandwich gebruiken om het gebied tussen het hete wort en het koude water te maximaliseren. Elke laag is ongeveer de hoogte en breedte van de koeler, dus als je enkele tientallen lagen heeft, kun je het equivalent van een zeer groot oppervlak voor warmtewisseling creëren. De meeste commerciële warmtewisselaars zijn op dit principe gebouwd en grotere koelers voegen vaak gewoon meer platen toe naar een bestaand ontwerp.

De laatste term, ΔT, vertegenwoordigt het temperatuurverschil tussen het wort en het koelwater. Hoe groter dit verschil, hoe sneller de warmte-uitwisseling. Dus als we bijvoorbeeld de hele tijd ijskoud water in onze koeler kunnen pompen, zou het veel beter werken dan lauw water uit de kraan.
Als we de gevolgen van ΔT voor een echte wortkoeler in overweging nemen, komen verschillende andere feiten aan het licht. Heet wort koelt bijvoorbeeld sneller dan koel wort vanwege de hogere ΔT. Terwijl het wort afkoelt, wordt de ΔT tussen de worttemperatuur en het koude water kleiner, zodat de warmteoverdrachtssnelheid, Q, kleiner wordt. Dat is de reden waarom zoiets als een dompelkoeler de temperatuur in het begin heel snel laat dalen, maar kan angstaanjagend langzaam worden als je de kamertemperatuur nadert. Als we ΔT beschouwen vanuit het perspectief van koelwater dat door onze koeler stroomt, warmt ook de koelwatertemperatuur op. Dus koelwater dat het ene uiteinde van onze koeler binnenkomt, is misschien lekker koud, maar het zal opwarmen als het door de koeler loopt, waardoor het minder effectief wordt. Dit is geen slechte zaak, omdat het water al veel warmte uit het wort heeft geabsorbeerd, maar in een ontwerp zoals een dompelkoeler zal het resulteren in warme en koude plekken in het wort. Deze ongelijke koeling zorgt voor grote uitdagingen voor dompelkoelers, omdat het toevoegen van lengte niet altijd leidt tot snellere koeling.

Een laatste consequentie van ΔT is dat we de stroming van koelwater door onze koeler willen maximaliseren, terwijl de stroming van wort wordt beperkt. Meer koelwater doorpompen is meestal een goede zaak, omdat koud water warmte absorbeert en van het wort wegvoert. In zoiets als een tegenstroom- of platenkoeler proberen we meestal de stroom van hete wort te regelen, zodat we een doeltemperatuur op de uitvoer van de koelmachine kunnen bereiken.
Het is duidelijk dat het ontwerp van realistische koelers een complex onderwerp is, aangezien overwegingen met betrekking tot reële stroomsnelheden, temperatuurveranderingen, productie, materiaal, reiniging, kosten en onderhoud een rol spelen. De eerste principes die worden weergegeven door de bovenstaande geleidingsvergelijking zijn echter de drijvende kracht in het ontwerp van de koelmachine. De onderliggende thermodynamica is de belangrijkste reden waarom de meeste koelmachines in een paar eenvoudige ontwerptypen vallen.

De ijsbad- / koudwatermethode
Velen van ons begonnen onze brouwhobby met een eenvoudige extractiekit. Bij gebrek aan een koeler, voegden de meesten van ons ofwel koud water rechtstreeks aan het wort toe als we gedeeltelijk kookten, het totale volume op het gewenste volume brachten, of ondergedompeld onze ketel of gistvat in een badkuip vol ijswater. Laten we eens kijken naar de effectiviteit van deze twee methoden.
Het toevoegen van koud water rechtstreeks aan het wort om te koelen kan worden gedaan met veel extractkits die een gedeeltelijke batch-kook gebruiken. Er is een klein risico op infectie als je leidingwater rechtstreeks aan het wort toevoegt, maar je kunt voorgekookt of gefilterd / flessenwater gebruiken om het risico te verminderen. Natuurlijk moet je het water dat je toevoegt, afkoelen omdat het niet snel op kamertemperatuur komt als je lauw water toevoegt.
Het probleem met de directe toevoeging van koud water is dat onze oude vriend ΔT begint. Overweeg bijvoorbeeld een volume wort bij 100 °C gemengd met een gelijk volume gekoeld water van 4 °C, de temperatuur van een normale koelkast. Omdat de volumes en warmtecapaciteit van de twee toevoegingen hetzelfde zijn, is het vrij eenvoudig om aan te tonen dat de temperatuur van het mengsel het gemiddelde van de twee temperaturen zal zijn, namelijk:

(100+4)/2 = 52 °C

Het wort is dus nog steeds ruim boven kamertemperatuur en te heet om de gist toe te voegen. Het zal lang duren voordat dat wort een goede toevoegtemperatuur heeft bereikt als er geen verdere maatregelen worden genomen om het wort te koelen.
Je ketel of je gistvat nemen en onderdompelen in een bad met ijswater is een effectievere techniek. Als we ons herinneren dat metaal een betere warmtegeleider is dan glas of plastic, is de kookketel misschien de beste keuze voor deze methode. Ervan uitgaande dat je voldoende ijs hebt om je ijswaterbad in de buurt van het vriespunt te houden, krijg je na verloop van tijd een gestage warmteoverdracht van het wort naar het ijsbad totdat de doeltemperatuur bereikt.
De belangrijkste zorg bij deze methode is dat je zowel het wort- als ijsbad moet roeren om te voorkomen dat er warme / koude plekken in de buurt van het oppervlak komen. Je hebt ook een vrij klein gebied, A, in contact tussen het wort en het bad wanneer we het vergelijken met zoiets als een platenkoeler, dus deze methode kan meer tijd kosten dan een speciale koeler, en je hebt natuurlijk veel ijs nodig. Bijvoorbeeld, een ketel van 30 cm diameter en 30 cm hoog (0,3 x 0,3 meter) heeft ruwweg een volume van 22 liter maar het gebied, A, van de bodem en wanden is 0,36 vierkante meter, die we kunnen vergelijken met andere alternatieven.
Het voordeel van deze methode is de eenvoud. Je kunt een diepe gootsteen of bad gebruiken als je ijswaterbad, en je hebt geen extra uitrusting nodig, behalve een paar zakken ijs en wat geduld.

Om een dompelkoeler te gebruiken, dompel je de spoel in je ketel en stroomt vervolgens koud water door de spoel. Het koude water is het koudst waar het de koelmachine binnenkomt, dus je creëert een "koude plek" aan de boven- of onderkant (afhankelijk van de richting waarin je het water drijft), evenals in de buurt van het oppervlak van de koeler. Je kunt het wort af en toe voorzichtig roeren om warme en koude plekken te voorkomen.

De effectiviteit van de dompelkoeler hangt af van dezelfde drie termen die we eerder hebben besproken, k, A en ΔT. Als alles gelijk is, zal een koperen koeler sneller warmte overdragen dan een roestvrijstalen, en is ook aanzienlijk effectiever dan proberen een roestvrijstalen ketel in water onder te dompelen. Als we kijken naar een typisch gebied, A, voor een koeler, overweeg dan een buis met een buitendiameter van 12,7 mm die 7,6 m lang is. Het ruwe oppervlak van de buitenkant van de buis is 0,3 vierkante meter, wat vergelijkbaar is met het totale oppervlak van de ondergedompelde 22 liter ketel die we eerder hebben overwogen.

Rekening houdend met ΔT is het meeste leidingwater niet helemaal ijskoud, dus onderdompelingskoelers hebben de neiging aanzienlijk te vertragen naarmate het wort op kamertemperatuur komt. Sommige onderdompelingsontwerpen bevatten echter een tweede-fase spoel in wat een "tweetraps dompelkoeler" wordt genoemd. In dit ontwerp wordt een tweede spoel vooraan toegevoegd en ondergedompeld in een pot met ijswater. Het idee is om het koelwater dat de hoofdspiraal binnengaat voor te koelen, zodat je sneller koelt. Dit kan met name effectief zijn als je leidingwater een beetje warm is of als je betere prestaties wilt wanneer het wort op kamertemperatuur komt.
Over het algemeen kunnen de prestaties van een dompelkoeler behoorlijk goed zijn, vooral voor kleine batches op of onder het bereik van 19 liter. Grotere batches hebben misschien wat meer koelvermogen nodig. Bovendien zijn dompelkoelers relatief eenvoudig te reinigen en te onderhouden en zijn ze ook zeer betaalbaar. Omdat de koeler in de ketel werkt voordat je het wort naar de gister overbrengt, kun je het grootste deel van de trub achterlaten in de ketel. Dit kan een aanzienlijk voordeel zijn, omdat veel eiwitten, tannines en hopmateriaal uit het wort neerslaan terwijl je het afkoelt en de meeste brouwers dit trubmateriaal van het wort willen scheiden voordat ze gisten.

De reden voor het tegenstroomontwerp is dat het koudste koelwater eerst in contact komt met de koelste wort. Aan het andere uiteinde van de buis heeft de heetste wort contact met het warmste koelwater. Als resultaat krijg je een redelijk "gemiddelde" ΔT over het gehele apparaat, wat goede prestaties levert aan beide uiteinden van het apparaat. Als je de wortstroom beperkt en koud genoeg koud water hebt, kun je het wort in één keer door de koeler tot kamertemperatuur koelen. Verder kun je de temperatuur van het wort regelen door de wortstroom door de koeler aan te passen.

De thermische prestaties van deze koeler zullen net iets beter zijn dan een dompelkoeler in termen van totale koeltijd, omdat het gebied van de materialen vergelijkbaar is, maar het tegenstroomontwerp ΔT prestaties iets verhoogt. De meeste brouwers vinden het echter leuk om hun wort in één keer te koelen, en je kunt de grootte van de koeler vergroten om de koeltijd te verbeteren.
Een nadeel van de traditionele spoelvormige tegenstroomkoeler is dat deze moeilijker te reinigen is. Omdat de koeling plaatsvindt in de koeler, slaan er stukjes trub, eiwitten en tannines in het apparaat neer. Meestal moet je de koeler onmiddellijk terugspoelen en reinigingsvloeistof erdoorheen laten lopen om verstopping te voorkomen. Bovendien komt veel van de neergeslagen trub in het gistvat terecht. Dus tenzij je zoiets als een conisch gistvat hebt waarmee je de trub tijdens de gisting kunt scheiden, zul je meer hop- en korrelmateriaal in je gistvat krijgen dan met een dompelkoeler.

Het voordeel van een platenkoeler is vooral in het grote gebied, A, dat wordt gebruikt. Overweeg een ontwerp zoals de Blichmann Therminator, die 40 platen heeft met een afmeting van ongeveer 17,8 x 7,6 cm. Het gebied bedekt door de 40 lagen is ongeveer 0,54 vierkante meter, wat bijna twee keer is wat veel van de andere ontwerpen bieden. Bovendien biedt dit ontwerp een goede koelwaterstroomsnelheid, zodat u in minder dan 15 minuten 10 liter wort in één keer kunt koelen. Commerciële koelers en warmtewisselaars gebruiken een soortgelijk, zij het opgeschaald ontwerp, dat een verhoogde wort- en koelwaterstroom mogelijk maakt met zelfs meer platen.

Hoewel platenkoelers uitstekende prestaties leveren en schaalbaar zijn naar grotere batchgroottes, hebben ze enkele nadelen. Net als een tegenstroom-koeler dumpen ze trubneerslag direct in het gistvat, dus ze kunnen het beste worden gebruikt met een conisch e vergister als je de trub en wort gescheiden wilt houden. De trub kan ook vast komen te zitten in de dunne platen van de koelmachine, mogelijk zelfs afsluiten. Ik raad ten zeerste aan te proberen te voorkomen dat trub in de koeler terechtkomt en de platenkoeler onmiddellijk na gebruik terugspoelt, gevolgd door een grondige reiniging. Ze zijn ook duurder dan veel andere zelfgemaakte koeler-ontwerpen.

Conclusie
Snel koelen van je wort heeft enkele belangrijke voordelen, waaronder een verbeterde helderheid, een lager risico op infectie en een verminderd risico op vieze smaken. Snel je wort koelen en je gist toevoegen kan ook je brouwdag verkorten. Welke methode je gebruikt om je wort te koelen, is een persoonlijke keuze. Alleen jij kunt de benodigde tijd, kosten en moeite in evenwicht houden. Zelfs eenvoudige methoden zoals een ijsbad kan zeer effectief zijn als je voldoende ijs bij de hand hebt, hoewel een onderdompelings- of tegenstroom-koeler gemakkelijker kan zijn om mee te werken, afhankelijk van je opstelling. Voor grote batch-brouwers zal een grote tegenstroom-koeler of platenkoeler meestal het beste werken in termen van tijd en opstelling, en vrijwel alle commerciële brouwerijen gebruiken variaties van het plaatontwerp.

Brad Smith
Bron: Brew Your Own, november 2019, vertaald en bewerkt door Frits Haen