Hobby Mikropivovar 20 - varna

τ
Úvod
U každého pivovaru a tedy i u našeho HobbyMikropivovaru 20 tvoří varná nádoba, či nádoby, základní stavební prvek. V následujícím povídání se podíváme na různá konstrukční řešení a problematiku s tím spojenou. Než se tedy pustíme do díla, stavby varné nádoby, popíšeme si úskalí, která budeme muset řešit. Případné jednoduché výpočty jsou provedeny pro vodu. Pro objektivně přesnější výsledky by bylo nutné vše přepočítat na sladinu, která je ovšem opět rozdílná podle požadované výsledné stupňovitosti mladiny a piva. Pro základní úvahy, naše zjednodušení na vodu, by to mělo stačit.

Obecné vztahy
Jako první parametr naší volby je objem budoucí varny, tedy kolik litrů piva v jedné várce získáme. Běžně se volí objemy od 10 do 100 l. Každý začátečník má tendenci volit objem co největší z jednoduché úvahy. Ve shodném čase /10 – 12 hodin/ získám větší množství.
Jak si dále ukážeme, tato úvaha nemusí být správná a dokonce pro mnohé nerealizovatelná,
a to jak po technické stránce, tak finanční náročností.
Než budu pokračovat, shrneme si požadavky na varnu, tedy jaké úkoly má realizovat.
Základním úkolem varny je ohřívat sladinu na předem stanovenou teplotu, dle námi zvoleného druhu piva, tedy receptu, a to v daném čase s gradientem /přírůstkem/ teploty 0,8 – 1 °C/min.
Nedovolit lokální přehřátí a tím zničení enzymů pro danou teplotu. Přehřátí s návratem na nižší teplotu není tedy přípustné. Jednou zničené enzymy nejdou již nahradit.
Druhým parametrem je nutný výkon topného tělesa.
Tepelná kapacita vody je c = 4186 [ J/kg.K]
Měrná tepelná kapacita cWh = 1,163 [W.h/kg .K]
Potřebná energie E = m . cWh . (t1 – t2) [ W.h]
Příkon ohřívače = E/ητ [W]
η - účinnost ohřevu
τ- čas potřebný pro ohřev v hod.
Pro 20 kg vody
E = 20 . 1,63 . 80 = 1,86 [kWh] pro ohřev o 80 °C
P = 1,86 / 0,93 . 1 = 2 [kW] pro ohřátí za 1 hodinu
Pro elektrický ohřev je pak fázový proud
I = P / U = 2 [kW] / 230 [V] = 8,7 [ A]
Elektrické vyhřívání je tedy možné připojit na běžný zásuvkový okruh 10 A / 16A/.
1 kJ = 0,27778 Wh
1 kWh = 3 600 kJ
Pro plyn pak platí.
Spotřeba plynu - zemní kJ/m3 = 1,86 . 3600 = 6696 tedy 6696 / 33480 = 0,2 [m3 ]
Spotřeba propan-butan 6696 / 46 400 = 0,15 [kg]
Pro celý proces vaření piva /dezinfekce, vyslazovací voda, atd. / je zapotřebí cca 3 – 5 násobek vody.
Celková potřeba vody je maximálně 5 . 20 = 100 litrů .
Elektřina 5 . 1,86 = 9,3 [kWh] /3,5 Kč za kWh / náklady várky = 5 . 1,86 . 3,5 = 32 Kč
Zemní plyn 1 m3 /cena 1,72 Kč za kWh / náklady várky = 5 . 1,86 . 1,72 = 16 Kč
Propan-butan 1 kg /cena 42 Kč za 1 kg/ náklady várky = 5 . 0,15 . 42 = 32 Kč
Z výše uvedeného vyplývá obecně známá skutečnost, že při dnešních cenách energií vychází topné náklady na elektřinu a propan-butan přibližně shodné. Poloviční náklady dosáhneme při použití zemního plynu.

Při výše popsaných úvahách nejsou samozřejmě započteny tepelné ztráty a další /např.
skupenské teplo vody při chmelovaru, odparu /.
Ve velkých varnách s rekuperací se dosahuje až 95 % účinnosti. U nás budeme rádi za 60%.Pro konstrukci varny tedy není z ekonomického hlediska rozhodující volba elektřina /propan-butan. Výrazné úspory dosáhneme jen u zemního plynu.

Pětikilová bomba propan –butan nám tedy vystačí na min. 6 várek.
Zemní plyn má výhřevnost 33 480 kJ/m3
Propan-butan 46 400 kJ/kg
Pro 50 kg vody
E = 50 . 1,63 . 80 = 6,52 [kWh] pro ohřev o 80 °C
P = 6,52 / 0,93 . 1 = 7 [kW] pro ohřátí za 1 hodinu
Pro elektrický ohřev je pak fázový proud
I = P / U = 7 [kW] / 230 [V] = 30 [A]
Pro třífázový proud P = 3 . U . I tedy I = P / 3 . U = 7 [kW] / 3 . 230 = 10,2 [A] na fázi
Elektrické vyhřívání není možné připojit na běžný zásuvkový okruh 10 A / 16A/.

Typ varné nádoby
Varna jako nádoba na sporáku z tenkého plechu

Plotýnka elektrického sporáku dosahuje teploty až 800 °C. Teplota plamene zemního plynu až 1000 °C. Vzhledem k malé tloušťce plechu
se celý gradient teplotního rozdílu realizuje ve vrstvě sladiny u dna.
Občasným zamícháním lze bez větších problémů dosáhnout přesně definované teploty v pivním varném listě.
Například 37°C, 52°C, 62°C, 72°C a při trochu šikovnosti i časové prodlevy pro jednotlivé teploty.
Dodržení varného postupu je ale jen iluze. V jednotlivých vrstvách vysoko překročíme nejen následující vyšší teploty, ale snadno i teplotu odrmutovací. Sladina pak nebude již obsahovat žádné aktivní enzymy nutné pro správné pochody při následných teplotách.
Neznamená to automaticky, že takto uvařené pivo nebude k pití. Často i připálený guláš může být výborný. V tomto případě ale nelze mluvit o vaření dle určitého technologického postupu.

Varna s elektrickým pohonem míchadla a měřením teploty sladiny Při návrhu míchadla je nutné respektovat technologický požadavek maximální rychlosti sladiny v nádobě 1,2 – 1,5 [m/s].
Míchadlo HobbyMikropivovaru 20 má lopatku o rozměrech
l = 260 [mm], š = 80 [mm].
Motorek míchadla má možnost volby dvou otáček
o1 = 45 [ot/min], o2 = 75 [ot/min].
Obvodová rychlost lopatky pak je
r1 = 3,14 . 0,26 . 45 / 60 = cca 0,62 [m/s],
r2 = 3,14 . 0,26 . 75 / 60 = cca 1,1 [m/s].
Ani toto řešení nám u amatérsky zhotoveného míchadla není schopné plně zaručit rovnoměrné rozložení teplot a především, že ve vrstvě u topného dna nedojde k lokálnímu přehřátí sladiny. U profesionálně navržených zařízení na ohřev je tento způsob realizovatelný a velmi přesný. Například topné těleso umístěné v izolovaném plášti uvnitř ohřívané tekutiny. Tekutina je čerpána tlakovým čerpadlem přes tento ohřívač s přesně definovanou topnou přestupní plochou a rychlostí proudění. Počítač reguluje rychlost proudění dle hustoty a vlastností kapaliny, a tedy i maximální gradient o kolik se zvýší teplota media po průchodu ohřívačem. Tím, že je ohřívač celý uvnitř kapaliny sníží se tepelné ztráty. U amatérských konstrukcí a malých objemů sladiny jde o složité a tudíž nepoužitelné řešení. Existuje mnoho dalších technických řešení, ale nejsou úkolem zdejších úvah. Řízení topného tělesa regulátorem na základě údajů z teploměru snímajícím teplotu sladiny neřeší problém lokálních přehřátí. Tímto zapojením dosáhneme jednoduše a přesně požadované teploty, ale dodržení technologických teplot, tedy lokální přehřívání, plně neodstraníme. Vše bude záviset na konstrukčním štěstí nebo poměrně náročném odladění, které je pro různé množství nálevu téměř neřešitelné.

Varna s elektrickým pohonem míchadla a měřením teploty topného tělesa Při tomto řešení konstrukce varny je bezpodmínečně nutné mít možnost řízení topného tělesa. Obecně jsou možná dvě řešení.
Spínání topení on/off nebo spojité. U elektrické varianty topení
je technické řešení celkem bezproblémové. U plynu je nutné mít hořák s dálkovou možností zapínání a vypínání a nebo lépe s plynulou možností regulace výkonu, což něco stojí. U plynu dále považuji za přímo nutnost realizovat systém kontroly úniků plynu. Kdo již viděl výbuch plynového zařízení mi dá jistě za pravdu. Pozor, plyn exploduje při malém množství plynu v ovzduší, při překročení určitého procenta „jen“ hoří. Kompletně vyhořelé haly jsou tím důkazem. Princip tohoto řešení je založen na tom, že v časových intervalech zvyšujeme teplotu topného tělesa o nastavitelnou hodnotu, např. 0,8 °C/min. Tak tedy nemůže z principu dojít k přehřátí a míchadlo jen pomáhá stabilizovat teplotu v celém objemu nálevu. I toto řešení má své nedostatky. Při dekokčním vaření se objem sladiny diametrálně liší a tepelná setrvačnost a tedy nahromaděná tepelná energie pro různé množství sladiny způsobí různé konečné navýšení teploty. Časové zpoždění rozložení teploty v celém objemu várky dále zvýší regulační chybu. Při návrhu řešení je tedy nutné si stanovit určité technologické meze těchto chyb. Při návrhu varny HobbyMikropivovaru 20 bylo navrženo, že zvýšení teploty topidla by nemělo přesáhnout 3 °C od žádané teploty, což se v mladině projeví diferencí cca 2 °C. Teoreticky by šlo tuto diferenci zmenšovat do nekonečna s nekonečným časem ustálení konečné teploty. Při prvním návrhu se uvažovalo o nutnosti informovat regulátor o množství a typu várky, tedy před začátkem každé technologické operace vložit obsluhou vstupní data do regulátoru. Toto řešení výrazně zlepší regulační vlastnosti topného systému, ale za vyšší cenu regulátoru a především pracnou obsluhu. Při prvních 22 várkách různého piva / 7°až 16°/ a technologii výroby infúzní i dekokční se zjistilo, že po úpravě technologického minima rmutu na 7 l je možné dosáhnout uspokojivé výsledky bez nutnosti přestavování regulačních parametrů. Na základě těchto poznatků byl realizován regulátor varny typ PRT01 a jako silový spínač elektrického topení byl realizován kontaktní /relé/ spínač topení PVS01. Podrobnější popis bude uveden na konci tohoto povídání.

Varna s elektrickým pohonem míchadla a měřením teploty topného tělesa i sladiny Jde o jedno z možných řešení pro zvýšení přesnosti regulace a tedy možnosti přesněji realizovat varný list. Základem jsou dvě teplotní čidla. Jedno měří teplotu topného media a druhé teplotu sladiny. Porovnáním těchto dvou teplot, jejich absolutní velikosti i gradientu teploty v čase, společně s řízením výkonu topidla, můžeme programově realizovat adaptivní regulační systém, který sám pozná množství i tepelné vlastnosti ohřívané sladiny.
Podle těchto zjištěných hodnot řídí velikost výkonu topidla a tedy může dosáhnout velké přesnosti regulace. Nutným požadavkem je možnost plynulé regulace výkonu topidla, což u elektrického ohřevu není ani drahého. Spíná se bezkontaktně např. triak místo relé. Zvýšení nákladů na pořízení technické části regulátoru nepřevýší 30%. Řešení se přenese do software regulátoru. Tady vzniká problém v ceně takového software. Jestliže program pro výše uvedené řešení se dá napsat a odladit za sobotu a neděli, adaptivní řešení zabere i měsíce. Při ceně programátorské práce a realizaci několika kusů tedy finančně naprosto nedostupné.Zde vzniká obrovský prostor pro hobby řešení, kde tvůrce nepočítá čas strávený nad svým koníčkem a cena nakupovaného hardware je v řádu sta korun. Námitka, že je nutné speciální znalosti programování dneska již neobstojí. Doba kdy bylo nutné znát asembler a jiné programátorské jazyky již je dávno pryč. Uvedu jenom dva příklady nejběžnějších a svého času i nejlepších typů mikrořadičů, které jsou navíc běžně u nás k dostání. Druhů ve světě a tedy možností je asi jen o málo méně než je druhů piv. Cena se pak v maloobchodě pohybuje v rozmezí 30 až 200 Kč za kus. Samozřejmě je možné regulaci realizovat i analogově. Smysluplnost této varianty je asi stejná, jako realizovat analogový počítač vyráběný před 50 lety místo číslicového PC.

Varianta první – mikrořadič /u těchto řídících prvků se již nemá říkat mikroprocesor/ Atmel AVR například ATmega 8.
Tyto mikrořadiče lze programovat jazykem BASCOM. Kdo vytváří www stránky jistě zná jazyk Visual Basic Script, nebo v tvorbě tabulek Excel /anglická verze/ příkazy maker a konečně při kreslení různých obrázků a grafů na PC jazyk Visuál Basic. BASCOM není v principu nic jiného než tyto jazyky pro řadiče Atmel. Dále si můžeme dokoupit hotovou vývojovou desku a váš program vyzkoušet přímo v reálném spojení s varnou. Umístíme-li takovou desku do krabičky máme hotový regulátor, sice nevzhledný, ale plně funkční. Lepší řešení je hotový funkční regulátor sestavit z několika zakoupených obvodů a zapájet na desku plošného spoje. V případě, že máte strach z této operace, tak požádat přítele radioamatéra, který Vám s tím pomůže. Další výhoda tohoto řešení je v tom, když budeme později si navrhovat pěkný grafický velín našeho mikropivovaru v jazyce Visual Basic /60% profesionálních grafických aplikací na PC je psána právě v tomto jazyce/již jej budete téměř též umět.

Varianta druhá – mikrořadič Zilog například typ Z8 Encore
Tyto mikrořadiče se sice programují v jazyce C, ale jazyk je v základní verzi normy ANSII.
Tedy svou jednoduchostí se nedá srovnávat k profesionálním jazykům C pro PC, které plně zvládnout trvá několik let. Určitý problém neprogramátorům bude činit vizuální podoba příkazů, která je odlišná od běžně v matematice používaných. To činí pak tento jazyk pro laika záhadným. K tomuto řadiči je možné velmi levně vše potřebné koupit a na koupené desce celý regulátor realizovat.

Regulátor PRT01 a silový spínač topení PVS01 HobbyMikropivovaru 20

Regulátor byl navržen a realizován pro varnu výše uvedeného mikropivovaru. Teplota sladiny je řízena podle snímané teploty dna nádoby.
Jsou zde realizovány tyto funkce :
jednoduchá možnost ručního nastavení žádané teploty sladiny
možnost nastavení požadovaného gradientu vzestupu teploty např. 0,9 °C/min
zobrazení žádané teploty na displeji
zobrazení měřené teploty dna nádoby
zobrazení nastavené hodnoty gradientu teploty
možnost korekce absolutní hodnoty měřené teploty
komunikační rozhraní RS485 pro možné spojení s velínem či PC
kontaktní /relé/ výstup pro řízení topení on/off

Jako čidlo teploty slouží digitální převodník SMT-160-30-92 s funkcí teplota/střída. Běžně dostupný v maloobchodní ceně pod 90 Kč.
Komunikaci s velínem či PC je možné provádět jak v režimu místním tak dálkovém. Rozdíl je v tom, že v režimu dálkovém je též možné měnit parametry regulátoru.
Regulátor je vhodné propojovat
se silovým spínačem /230 V, 50 Hz, 10 A/ typu PVS01, protože obsahuje též zdroj napájení pro regulátor. Obecně lze regulátor připojit i k jiným druhům silových spínačů.

Závěr
Nakonec se vrátíme k první otázce, velikost varné nádoby a shrneme si pro a proti u volby 20 l či větší např. 50l.
Pro 20 l varnu je možné definovat tyto výhody.
Relativně jednoduchá a levná realizace. Možnost využití i pro jiné technologie, například jako zavařovací hrnec, tak jak bylo jeho původní určení. Možnost umístění i na minimálním prostoru, jeden větší kuchyňský stůl. Nenáročná manipulace s náplní 20 kg sladiny. Možnost ještě jednoduché konstrukce chladiče a spilky /ledničky/. Při provozu vzniká ještě únosné množství páry /chmelovar/ bez nutnosti aktivního větrání. Po vyzkoušení prvních 5 až 10 várek se stane provoz rutinou a z 10 – 12 hodin vaření nám vyjde cca 3 hodiny vlastní aktivní činnosti. Zbytek času pak můžeme věnovat například svým ostatním koníčkům nebo jiné aktivní činnosti, která nevyžaduje větší vzdálení od varny, tedy jako při běžném vaření.
V tomto čase můžeme například upéct dobrý domácí chléb /pivní, mlátový/ s využitím produktů z vaření piva. Nebo uvařit dobrý pivní guláš k nedělnímu obědu. Nehovořím ani o výborných pivních klobásách atd. Prostě nebudeme postaveni manželkou či přítelkyní před volbu, já anebo pivo, protože to není volba, což ovšem ony neví. Naopak, můžeme očekávat větu, proč zase nevaříš. Nevím co je horší. Ne poslední otázkou je ekonomika provozu.
Když si vyhradíme například soboty pro své koníčky, můžeme cenu drahých kvasnic podělit počtem várek, vaříme z várky do várky. Naše nové recepty můžeme realizovat s minimálními náklady a bude pořád co hodnotit a degustovat.
Pro 50 l a větší varnu
Manipulace s 50 kg činkou je přece jenom jiná než 50 l tekutiny. Konstrukce varny, chladiče i umístění spilky bude pro většinu problémem. Při vaření vzniká již neúnosně vysoké množství páry a tedy provoz v normální kuchyni je již problematický. Připojení na elektrický okruh běžných bytů není bez úpravy možný. Vaření se stává již dost velkou dřinou, protože propojení nádob čerpadly není ještě efektivní / velké množství sladiny zůstane v rozvodu a i čištění bude značně pracné/. Vychlazení 50 či 100 l sladiny bez strojního chlazení v reálném čase bude také velký problém.

Dej Bůh štěstí Začínající amatérský sládek Ing. Jiří Hájek