Bier & Physik (Wärmeabfuhr)

xxenon

Erfahrenes Mitglied
Hallo Physiker!

Seit einiger Zeit braue ich mit ein paar Freunden eifrig Bier. Bisher haben wir eher kleine Mengen produziert, aber nun wollen wir auf eine Menge von 80 - 100 Litern aufstocken. Unser größtes Problem stellt dabei die Kühlung dar (das Bier muss nach dem Würzekochen möglichst schnell von etwa 95°C auf etwa 40°C abgekühlt werden). Dazu leiten wir es durch ein Kupferrohr, welches mit Wasser bespritzt wird oder im Wasser liegt. Soweit der Plan, leider sind wir alle keine Verfahrenstechniker und können die benötigte Rohrlänge nur abschätzen.

Wir haben aber schon etwas nachgeforscht und das ganze auch schon durchgerechnet. Leider haben wir keine Ahnung ob die Berechnung stimmt.

Daher meine Bitte: Wenn sich jemand von euch mit sowas auskennt, wär es nett wenn er vielleicht kurz erklären könnte wie man sowas berechnet oder zumindest einen Blick auf unsere Berechnung werfen und seine Meinung dazu abgeben könnte (kann das Ergebnis stimmen, gibt es offensichtliche Denkfehler, etc.).

Nochmal die Aufgabenstellung:

80l Bier (kann vermutlich als Wasser angesehen werden) bei 95° sollen durch im Kreis pumpen in etwa in einer halben Stunde auf 40° oder weniger abgekühlt werden. Wie lange muss das verwendete Kupferrohr (15mm Aussen-, 12mm Innendurchmesser) gewählt werden?
(Für alle Schätzer, unser Ergebnis liegt bei etwa 24m)

Zusatzfrage: Hab mal gehört dass man beim Bespritzen einer Kühlvorrichtung mit Wasser durch die Verdampfung einen größeren Kühleffekt erzielt als wenn man die Kühlvorrichtung in ein Wasserbad legt. Ist das korrekt oder Blödsinn und in welchem Bereich bewegt sich der Unterschied?


Vielen Dank,

Euer xxenon.

P.S.: Wer mithilft und den Weg nach Österreich nicht scheut kann gern mal zu ner Bierverkostung kommen ;-).
 

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Hi,

da ich jetzt grade fast keine Zeit hatte, konnte ich nur einen flüchtigen Blick auf die Berechnung werfen. Mir sind dabei zwei Sachen aufgefallen:

Zum einen wird das Wasser der Wanne oder was auch immer erwärmt. Dadurch hat es nicht immer die gleiche Kühlleistung (was hat du eigentlich mit dem Wind gemeint)

Und die andere Sache ist, dass bei deiner Rechnung das Bier in dem Rohr steht. Es sollte aber zirkulieren. Das hast du afaik in deiner Rechnung nicht bedacht, oder hab ich das irgendwo überlesen?
 
Problem haben die Leute ... nee nee neee :)

Ich hab mal reingeschaut. Ihr habt die Wärmekapazität vom Cu nicht mit einbezogen (das erwärmt sich ja mit ... und schon ist die Biertemperatur ein bischen niedriger).

Meint ihr die Berechnung wirklich ernst? Ich meine 24 m Cu-Rohr um 80 l Bier zu kühlen ist schon heftig. Warum nicht gleich mit flüssigem Stickstoff kühlen. ;)

Aber im Ernst:

Baut einen Wärmetauscher mit z.B. 1m Kupferrohr. Rohr zu einem U biegen in einen Wassereimer versenken. Der Wassereimer wird kontinurierlich mit Frischwasser aus der Wasserleitung versorgt (einfach das überlaufende Wasser auffangen). Dann noch ein Fass (das mit Bier) auf einen Tisch stellen, das Bier durch den Wärmetauscher laufen lassen und unten in einem zweiten Fass auffangen. Je langsamer ihr das Bier laufen lasst um so besser wird gekühlt. Ne halbe Stunde reicht da locker.

MfG
 
port29 hat gesagt.:
Zum einen wird das Wasser der Wanne oder was auch immer erwärmt. Dadurch hat es nicht immer die gleiche Kühlleistung

Stimmt, wurde bisher vernachlässigt (sollte aber nicht so schlimm sein, wenn das Wasser getauscht wird, oder?)

port29 hat gesagt.:
was hat du eigentlich mit dem Wind gemeint

hm... da gabs irgendwo eine Angabe dafür. die Berechnung stellt nur den Beweis dar, dass der Wind in Niederösterreich dafür ausreichen sollte (diese Berechnung hat einer meiner Freunde durchgeführt, erscheint mir aber vernachlässigbar?!)

port29 hat gesagt.:
Und die andere Sache ist, dass bei deiner Rechnung das Bier in dem Rohr steht. Es sollte aber zirkulieren. Das hast du afaik in deiner Rechnung nicht bedacht, oder hab ich das irgendwo überlesen?

Das könnte wirklich ein Problem sein. Weisst du vielleicht wie man das auf die Formel umlegen muss / gibt es da eine eigene Formel dafür?

saschaf hat gesagt.:
Ihr habt die Wärmekapazität vom Cu nicht mit einbezogen (das erwärmt sich ja mit ... und schon ist die Biertemperatur ein bischen niedriger).

Weiss nicht ganz was du meinst, aber ich nehm mal an dasselbe wie port29?

saschaf hat gesagt.:
Meint ihr die Berechnung wirklich ernst? Ich meine 24 m Cu-Rohr um 80 l Bier zu kühlen ist schon heftig. Warum nicht gleich mit flüssigem Stickstoff kühlen. ;)

1.) Wir meinen die wirklich ernst :-D
2.) 24m sind viel, 80 Liter Bier aber auch und wenn die berechneten 10kW Energieabfuhr stimmen, kann ich mir das schon vorstellen.
3.) Ich kann mir auch nicht ganz vorstellen, dass das nicht mit weniger geht, aber wenn dann bräucht ich schon ne Berechnung als Beweis ^^

saschaf hat gesagt.:
Baut einen Wärmetauscher mit z.B. 1m Kupferrohr. Rohr zu einem U biegen in einen Wassereimer versenken. Der Wassereimer wird kontinurierlich mit Frischwasser aus der Wasserleitung versorgt (einfach das überlaufende Wasser auffangen). Dann noch ein Fass (das mit Bier) auf einen Tisch stellen, das Bier durch den Wärmetauscher laufen lassen und unten in einem zweiten Fass auffangen. Je langsamer ihr das Bier laufen lasst um so besser wird gekühlt. Ne halbe Stunde reicht da locker.

Kann ich mir gerade nicht ganz vorstellen, werd mich aber mal etwas genauer in die Richtung informieren.


Wenn ihr meint dass die Berechnung Blödsinn ist könntet ihr mir vielleicht ein paar Hinweise geben, auf welche Faktoren wir wirklich achten müssen und welche eher vernachlässigbar sind.


Mit freundlichen Grüßen
 
xxenon hat gesagt.:
Das könnte wirklich ein Problem sein. Weisst du vielleicht wie man das auf die Formel umlegen muss / gibt es da eine eigene Formel dafür?


Ähm ja..... so auf die Schnelle kann ich dir da auch nicht wirklich weiterhelfen. Mein Gefühl sagt mir, dass in die Rechnung / Formel zwei Integrale reingehören. Sorry, dass ich dir aktuell nicht mehr helfen kann, da grade sehr viel zutun habe. Allerdings kann ich dir einen Tipp geben:

-Versuch nicht das ganze Bier auf einmal zu kühlen. Nimm lieber dünne rohre, die Spulenförmig zusammendreht sind.
-Mach die Spule auch nicht zu lang, nimm lieber mehrere parallel.
-Lege die Spule senkrecht ins Wasser, lass das Bier von unten nach oben fließen
 
Nur mal noch so reingeworfen:

Ich hab hier auf Arbeit ein Kühlaggregat mit 4kW Kühlleistung stehen. Dieses Aggregat kühlt ca. 40 l Wasser (mit Frostschutz) von Raumtemperatur auf -20°C (dT=40K) in ca. 15 min
Also halte ich 10 kW Kühlleistung für euer Problem doch für "unwesentlich" übertrieben. ;)

MfG

Edit: Hier mal meine Rechnung. Aber Vorsicht. Die Ergebnisse gelten so nur für die Startbedingung (Biertemperatur = 95°C). Da die Temperatur wärend des Kühlens kontinuierlich sinkt, ist die Berechnung nicht allgemeingültig (aber für eine grobe Abschätzung reicht es - denke ich). In der Berechnung wurde die Wärmekapazität der Kupferleitung und die Wärmeabgabe durch Strahlung nicht mit einbozogen.

Alle Angaben natürlich ohne Gewähr. :D PROST
 

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saschaf hat gesagt.:
Nur mal noch so reingeworfen:

Ich hab hier auf Arbeit ein Kühlaggregat mit 4kW Kühlleistung stehen. Dieses Aggregat kühlt ca. 40 l Wasser (mit Frostschutz) von Raumtemperatur auf -20°C (dT=40K) in ca. 15 min
Also halte ich 10 kW Kühlleistung für euer Problem doch für "unwesentlich" übertrieben. ;)

Also ich bin da einer anderen Meinung. Das mit den 10kW könnte schon ganz gut hinkommen, bzw. in die Richtung gehen. Es ist nämlich egal, ob du Wasser von 90°C auf 40°C runterkühlst oder 30°C warmes Wasser auf -20°C. Die Kühlleistung, die du dabei investieren musst, ist die gleiche. Dann hast du noch mehr als das doppelte Volumen.

Wenn ich die Ursprungsrechnung richtig verstanden habe, sind die 10kW die gesamte Kühlleistung, die man braucht (imho etwas wenig). Die 4kW deiner Maschine hingegen ist die maximale Leistung bezogen auf ein punktuelles Ereignis
 
port29 hat gesagt.:
Es ist nämlich egal, ob du Wasser von 90°C auf 40°C runterkühlst oder 30°C warmes Wasser auf -20°C. Die Kühlleistung, die du dabei investieren musst, ist die gleiche.

Es ist nur dann als gleich anzunehmen, wenn die Zeit sehr kurz ist.
Bei relativ langen Zeiträumen sind die Verhältnisse unterschiedlich.
Bei einer Kühlung von 90°C auf 40°C läuft der Prozess zum thermodynamischen Gleichgewicht hin. Wird aber von Raumtemperatur auf -20°C abgekühlt, wird das System aus dem Gleichgewicht gebracht (braucht also mehr Energie).

Bei dem Problem hier ist es nicht so ganz richtig über die Energie (18500 kJ) und die Zeit (1800 s) die notwendige Kühlleistung zu berechnen (18500 kJ/ 1800 s = 10 kW). Der Temperaturausgleich (diese Leistung muss von den 10 kW abgezogen werden ) läuft schliesslich auch ohne zusätzliche Kühlleistung.

MfG
 
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