Simulatie van tegenstroomkoeler

hansHalberstadt · 17-08-2022 12:38 u

Nav dit topic: https://www.hobbybrouwen.nl/forum/index.php?msg=670885
ben ik eens wat verder gaan kijken naar manieren om een koeler te kunnen simuleren met software.
Hierbij een rekensheet als eerste idee.
De sheet splitst de koeler op in 25 segmentjes en rekent voor elk segmentje door wat er gebeurt met de temperatuur ter plekke van wort en koelwater. Je kunt een aantal dingen instellen zoals aantal platen, oppervlak per plaat, wortflow liter per uur, koelwater liter per uur, temperatuur van het koelwater en een constante voor de warmteoverdracht. Die kun je evt eenmalig bijstellen via een meting in de praktijk.

Wijbrouwers · 17-08-2022 13:00 u

Ik zie dat je 100 liter per uur standaard hebt staan als water in liters per uur. Uit de gemiddelde huis tuin en keukenkraan komt 600 liter per uur.
De kraan vol open zetten verhoogt de koelsnelheid.

Wij zelf hebben 3 platenkoelers van 20 platen in serie geschakeld voor het wort maar parallel voor het koelwater. Dus bij elke platenkoeler komt het koelwater er met 19 graden in.

Voor wie dat ook mocht hebben dan dien je dus niet alleen het aantal platen aan te passen maar ook de waterflow per uur drastisch te verhogen.

Als ik de sheet in vul met mijn opstelling dan kom ik op 25 minuten uit qua koelen.
In de praktijk zijn we echter 15 minuten kwijt om het wort (60-100 liter) van +/- 85/90 graden te koelen naar 20 graden.

Misschien is de oppervlakte per plaat bij ons wat groter. Daar maar even mee spelen.

Maar handige sheet. Zeer nuttig om te zien wat een verandering in opstelling kan betekenen voor koelcapaciteit.

hansHalberstadt · 17-08-2022 13:49 u

Hetzefde, maar dan opgesplitst in 200 segmenten ipv 25 voor nauwkeuriger berekeningen.
Kan het bestand helaas niet uploaden omdat het te groot is (7 MB of 6.4 MB gezipped)

hansHalberstadt · 17-08-2022 13:52 u

Citaat van: Wijbrouwers op 17-08-2022  13:00 uAls ik de sheet in vul met mijn opstelling dan kom ik op 25 minuten uit qua koelen.
In de praktijk zijn we echter 15 minuten kwijt om het wort (60-100 liter) van +/- 85/90 graden te koelen naar 20 graden.

Speel even met de labda in cell B2 en aantal platen en opervlak per plaat in cell B3 en B4. B2 is de finetune factor om hem af te tunen op jouw installatie.

hansHalberstadt · 17-08-2022 14:05 u

Citaat van: Wijbrouwers op 17-08-2022  13:00 uWij zelf hebben 3 platenkoelers van 20 platen in serie geschakeld voor het wort maar parallel voor het koelwater. Dus bij elke platenkoeler komt het koelwater er met 19 graden in.

Je kunt die variant evt ook programmeren. dan moet je wel wat ingrijpen in het dataveld.
Het dataveld is zo opgebouwd dat alle celen naast elkaar staan en dat berekent de tool het eindresultaat per celletje na de contact tijd. daarna schuift alles 1 door naar de volgende cel als startpunt.
Dat is dan de kolom eronder. Dat proces herhaalt zich steeds tot er een stabiele eindoplossing is.

Nu is het zo dat Twortin0 steeds in de linkercel binnenkomt en Twortout0 is dan het resultaat na de contacttijd. de schuift dan in de reeks eronder 1 plek naar rechts.
Idem voor het koelwater. dat schuift erin in de meest rechtse cel van twaterin0 en het resultaat Twaterout0 schuift dan in de reeks eronder 1 naar links.
Wat je dus in jouw geval kunt doen is op een bepaald punt de Twaterin niet van de rechtercel ernaast nemen , maar gelijk maken aan de koelwatertemperatuur uit de kraan. Daarna schuift de rest gewoon weer door. Ik zal wel even kijken of mij dat snel lukt, anders kun je het ook zelf.

hansHalberstadt · 17-08-2022 14:33 u

Citaat van: hansHalberstadt op 17-08-2022  14:05 uIk zal wel even kijken of mij dat snel lukt, anders kun je het ook zelf.

ok dat was maar 10 minuten werk.
zie bijgaande sheet. in rood staatwelke hokjes gewijzigd zijn.
maar het resultaat is ook wel interessant.
omdat je nu 3 x zoveel koelwater verbruikt als met 1 koeler heb ik de situatie vergeleken met koelwater allemaal in serie met koelwater opsplitsen in 3 x parallel en dan 1/3 nemen van de stroomsnelheid van het koelwater. dan heb je uiteindelijk evenveel koelwater gebruikt in beide gevallen en kun je zien welke van beide methodes beter koelt per gebruikte hoeveelheid koelwater.
conclusie is dus dat je met dezelfde hoeveelheid koelwater 4 graden verder kunt koelen als je alles in serie zet ipv 3 x koelwater paralel. Daaruit is mijn conclusie dat je dan geen voordeel hebt.
ps als je bij de parallel optie 3 x zoveel koelwater gebruikt dan koel je 0.2°C lager maar wel met 3 x het waterberbruik. als je bij de serie methode 3 x het waterverbruik instelt dan koel je 1°C lager. dus volgens mij is serie altijd beter dan parallel.
Feitelijk ben je door parallel te schakelen voor een deel het tegenstroom principe aan het killen, terwijl het tegenstroom principe juist zo goed werkt omdat je altijd het meest effectief de warmte uitwisselt. dat bevestigt deze berekening nu ook.

Wijbrouwers · 17-08-2022 15:24 u

Ik snap je redenering maar je vergeet 1 variabele wat bij parallel koelen heel veel invloed heeft: De wortflow is veel hoger dan bij serie koelen. Omdat het wort snel op temperatuur is en bij elke platenkoeler het koelwater weer 19 graden is kan je veel sneller het wort erdoor gooien. En dan is het voordeel van parallel koelen toch een stuk beter.

hansHalberstadt · 17-08-2022 16:30 u

Citaat van: Wijbrouwers op 17-08-2022  15:24 uje vergeet 1 variabele wat bij parallel koelen heel veel invloed heeft: De wortflow is veel hoger dan bij serie koelen. Omdat het wort snel op temperatuur is en bij elke platenkoeler het koelwater weer 19 graden is kan je veel sneller het wort erdoor gooien. En dan is het voordeel van parallel koelen toch een stuk beter.

Je kunt met de sheets dat effect bekijken door een hogere wortflow in te stellen bij de parallel optie en dan te kijken of jouw conclusie daar mee in overeenstemming is.
Overigens lijkt er nog een klein bugje in te zitten waar ik nog naar moet kijken. De totale energiebalans lijkt nog niet helemaal te kloppen. als je bv voor koelwater de helft neemt van de wortflow dan met het koelwater ook 2 x zoveel in temperatuur stijgen als het wort in temperatuur afneemt. Dat lijkt nog niet te kloppen, dus moet nog ergens een foutje zitten.

hansHalberstadt · 17-08-2022 17:37 u

Citaat van: hansHalberstadt op 17-08-2022  16:30 uoverigens lijkt er nog een klein bugje in te zitten waar ik nog naar moet kijken. De totale energiebalans lijkt nog niet helemaal te kloppen. als je bv voor koelwater de helft neemt van de wortflow dan met het koelwater ook 2 x zeveel in tempertuur stijgen als het wort in temperatuur afneemt. dat lijkt nog niet te kloppen, dus moet nog ergens een foutje zitten.

Het klopt wel zodra je meer koelwater neemt als wort. Dat is normaal ook wat je doet. 20 liter wort koelen met 10 liter water gaat sowieso niet werken, maar in de berekening kan het algoritme daar ook niet goed mee overweg omdat je door het opsplitsen in discrete blokjes je altijd een fout maakt en met weinig koelwater het koelwater heel veel op zou warmen per segmentje vanwege de lineaire benaderingen in het model die dan niet meer gelden.

Wijbrouwers · 18-08-2022 09:22 u

Het is denk ik te complex om alle scenario's van een tegenstroom(platen)koeler te vangen in een Excel sheet.
Bijvoorbeeld al het recirculeren van koelwater door een ijsbad heen. Dat wordt lastig.

Maar je sheet laat wel heel mooi zien welke factoren belangrijk zijn voor een goede snelle afkoeling:
Aantal platen
Temperatuur koelwater
Snelheid koelwater
Snelheid wort

Door daar mee te spelen (in de sheet of tijdens het koelen) weet je snel genoeg waar je nog winst kan halen.

Je zou je sheet ook gemakkelijk aan kunnen passen naar het oude type tegenstroomkoeler (interne en externe buis) door gewoon het aantal platen naar 1 te wijzigen en de oppervlakte per plaat naar de oppervlakte van de interne buis.

hansHalberstadt · 18-08-2022 11:06 u

Citaat van: Wijbrouwers op 18-08-2022  09:22 uJe zou je sheet ook gemakkelijk aan kunnen passen naar het oude type tegenstroomkoeler (interne en externe buis) door gewoon het aantal platen naar 1 te wijzigen en de oppervlakte per plaat naar de oppervlakte van de interne buis.

Dat klopt. dus zoals het nu is kun je een platenkoeler en tegenstroomkoeler doorrekenen.

hansHalberstadt · 18-08-2022 11:08 u

Citaat van: Wijbrouwers op 18-08-2022  09:22 uHet is denk ik te complex om alle scenario's van een tegenstroom(platen)koeler te vangen in een Excel sheet.
Bijvoorbeeld al het recirculeren van koelwater door een ijsbad heen. Dat wordt lastig.

Dat kun je nu al doen door de koelwatertemperatuur op 0 te zetten.

hansHalberstadt · 18-08-2022 11:24 u

Citaat van: hansHalberstadt op 17-08-2022  17:37 ueen fout maakt en met weinig koelwater het koelwater heel veel op zou warmen per segmentje vanwege de lineaire benaderingen in het model die dan niet meer gelden.

Ik ben nu bezig of ik een nog iets betere benadering kan maken door per segmentje niet de lineaire benadering te gebruiken maar de exponentiele berekening. Als je in gedachten 2 segmentjes pakt 1 met hete wort en een met koelwater met een schotje daartussen en dan kijkt wat er gebeurt dan gaat er warmte van de hete wort door het schotje naar het koelwater. De hoeveelheid warmte die verplaatst is evenredig met het temperatuurverschil. wat ik nu de is het temperatuurverschil nemen aan het begin van het stukje tijd dat wort en water in het betreffende segmentje zit en dan berekenen hoeveel grC per seconde het wort afkoelt en het water opwarmt. Maar tegelijker tijd wordt daardoor het temperatuurverschil kleiner en gaat er dus minder warmte verplaatsen. daardoor krijg je geen rechte lijn maar een exponentiele curve. Dat is in bijgaand plaatje getekend. als je maar kort wacht dan kun je de exponentiele curve goed benaderen door een lijn, maar als de koelwaterflow er langzaam gaat dan warmt het water in het segmentje zo snel op dat het niet meer benaderd mag worden door een rechte lijn. dat gebeurt dus nu als je de koelwater stroming te langzaam maakt.

maar in de praktijk zul je het ding zodanig instellen dat het over de hele koeler koelt, dus dan heb je automatisch de situatie dat per segmentje de temperatuur van koelwater en wort niet heel veel verandert. Ik heb nu een variant van de sheet met 200 segmentjes ipv 25. (helaas is die te groot om te posten) Als het helemaal klaar is zal ik kijken of ik het software stukje van het forum kan zetten wat ik van Jacques te leen heb.

Wijbrouwers · 18-08-2022 12:54 u

Citaat van: hansHalberstadt op 18-08-2022  11:08 uDat kun je nu al doen door de koelwatertemperatuur op 0 te zetten.

Ik doelde meer dat je het koelwater circuleert. Dus die begint met 0 maar na de eerste passage door de platenkoeler is die natuurlijk geen 0 graden meer en warmt het ijsbad dus langzaam op. Je krijgt dan een beetje de grafiek die je als laatste plaatste met beste benadering.

hansHalberstadt · 18-08-2022 17:34 u

Citaat van: Wijbrouwers op 18-08-2022  12:54 uIk doelde meer dat je het koelwater circuleert. Dus die begint met 0 maar na de eerste passage door de platenkoeler is die natuurlijk geen 0 graden meer en warmt het ijsbad dus langzaam op. Je krijgt dan een beetje de grafiek die je als laatste plaatste met beste benadering.

Ja dat kan ook met wat extra werk. maar als het het over ijswater hebt dan blijft dat 0 graden zolang er ijs is. als het ijs dan op is dan warmt het inderdaad op.

hansHalberstadt · 18-08-2022 17:48 u

Maar inderdaad wel handig als het zodanig werkt dat je de tool kunt laten doorrekenen wat de optimale setting is voor de stroomsnelheden van wort en koelwater en dat het ding ook kan bepalen hoeveel water of ijs je nodig hebt of een combinatie daarvan. evt ook voor dompel koeler. projectje voor na de zomer denk ik.

seed7 · 19-08-2022 09:13 u

Hans,
heb even snel naar de eerste sheet gekeken. Ik weet niet precies wat je doel is, maar toch wat input.

Bij een gelijk plaatoppervlak is het efficiënter om minder (smalle) lange platen te gebruiken dan veel kortere platen.

Warmte overdracht is sterk afhankelijk van de turbulentie van het wort en het koelmiddel tussen de platen. (een reden waarom @Wijbrouwers sneller dan berekend koelt?)

Het SG van het wort is van belang. (Toen ik mijn koeler op maat liet maken was die door de leverancier op een SG van 1.007 berekend. Na correctie voor een SG 1.100 kwamen er zomaar nog eens tien platen bij

)

ingo

Wijbrouwers · 19-08-2022 10:22 u

Daar heb je een interessant punt.
De viscositeit van het wort heeft dus ook invloed op het koelen.

Kan ik dan stellen dat een dikke stout langzamer te koelen is dan een licht biertje omdat het SG van de stout hoger is?

En wat je zegt over de turbulentie van het wort. Een tegenstroomkoeler met een interne en externe buis is dus eigenlijk 1 hele lange plaat. Die zou dus efficiënter zijn dan een platenkoeler?

seed7 · 19-08-2022 10:57 u

Citaat van: Wijbrouwers op 19-08-2022  10:22 uKan ik dan stellen dat een dikke stout langzamer te koelen is dan een licht biertje omdat het SG van de stout hoger is?

Ja.

Citaat van: Wijbrouwers op 19-08-2022  10:22 uEn wat je zegt over de turbulentie van het wort. Een tegenstroomkoeler met een interne en externe buis is dus eigenlijk 1 hele lange plaat. Die zou dus efficiënter zijn dan een platenkoeler?

Als je voor de binnenbuis waar het wort door stroomt een geribbelde buis gebruikt (zonneboilbers) mogelijk, ja. De platenkoeler is echter ook vaak geribbeld. Daarnaast gebruikn wij platen koelers die voor het omgekeerde doel ontworpen zien, verwarmen. Ik weet niet welke invloed dat op het resultaat heeft.

leesvoer:
https://www.dudadiesel.com/search.php?query=%2Bwort+%2Bchiller&i=beerchillers
http://www.dudadiesel.com/files/beerwortchart.pdf

ingo

hansHalberstadt · 19-08-2022 13:48 u

Citaat van: seed7 op 19-08-2022  09:13 uHans,
heb even snel naar de eerste sheet gekeken. Ik weet niet precies wat je doel is

het doel is om bv een relatieve vergelijking te maken tussen koelen met water van 15°C of 0°C
Verder kun je ook bepaalde ideen over hoe het beste te koelen met elkaar vergelijken zoals bv 3 koelers in serie voor wort , maar het koelwater parallel.
En verder natuurlijk om een beetje een idee te krijgen hoe je het beste je flows kunt instellen.

hansHalberstadt · 19-08-2022 13:56 u

Citaat van: seed7 op 19-08-2022  09:13 uBij een gelijk plaatoppervlak is het efficiënter om minder (smalle) lange platen te gebruiken dan veel kortere platen.

Warmte overdracht is sterk afhankelijk van de turbulentie van het wort en het koelmiddel tussen de platen.

De 2e regel is denk ik de verklaring voor het effect wat je in de eerste regel aangeeft.
De feitelijke warmteoverdracht van de wortkant naar de waterkant kan alleen plaatsvinden op het contactoppervlak want het koelvermogen moet immers door het metaal heen. punt is alleen dat het vermogen evenredig is met de temperatuur van de ene kant van de plaat naar de andere kant van de plaat. Maar daarnaast kan de warmte zich niet zo snel vermengen met het water en het wort, dus krijg je ook een temperatuurgradient over het wort en het water vanaf het contactoppervlak meer de diepte in van et koelwater en het wort. Maar dat betekent dus ook minder temperatuurverschil over het metaal dus minder koelvermogen overgedragen.
dus ja turbulentie helpt effectief om de warmte te verdelen over de vloeistof. een lange dunne koeler stroomt per cm2 doorsnede van het kanaal sneller dus geeft eer turbulentie en menging van warmte dan een korte brede koeler. Dus dat verklaart het effect dat een langere koeler beter koelt dan een korte bij gelijkblijvend plaat oppervlak.

hansHalberstadt · 19-08-2022 14:03 u

Citaat van: seed7 op 19-08-2022  09:13 uHet SG van het wort is van belang.

Daar kunnen 2 zaken een rol spelen:
1) de warmte capaciteit
2) de viscositeit van het wort

mbt 1 bevat wort meer suiker en suiker heeft een lagere warmtecapaciteit dan water, dus verwacht ik voor wort ook een iets lagere warmtecapaciteit dus makkelijker te koelen.

mbt2 is de viscositeit van zware wort hoger dan die van lichte wort en dat betekent ook dat zware wort veel minder turbulentie geeft dus minder goed de warmte verdeelt en volgens het vorige bericht bevestigt dat dan dat zware wort dus daarom ook slechter koelt.

ik heb voor de koeler nu alles op 1 hoop gegooid in de labda waarde van cel B2. daar zit dus niet alleen de thermische geleiding in van het metaal, maar ook die van het gebied daaromheen.
Dat betekent dus dat je de labda waarde zou moeten bepalen voor verschillende situaties, bv lichte of zware wort en ook voor snel of langzaam stromende wort en koelwater.

hansHalberstadt · 19-08-2022 14:09 u

Citaat van: seed7 op 19-08-2022  10:57 ude binnenbuis waar het wort door stroomt een geribbelde buis gebruikt (zonneboilbers) mogelijk, ja. De platenkoeler is echter ook vaak geribbeld. Daarnaast gebruikn wij platen koelers die voor het omgekeerde doel ontworpen zien, verwarmen. Ik weet niet welke invloed dat op het resultaat heeft.

Een buis (tegenstroomkoeler van bv de Grainfather) heeft een vele malen kleinere doorsnede dan een platenkoeler. dus geeft denk ik al snel meer turbulentie. ook als het ding opgerold zit moet de stromende wort en koelwater ook nog eens continue van richting veranderen en geeft daardoor denk ik een nog beter menging dus betere warmteoverdracht.
nadeel wat ik in de praktijk zie van een platenkoeler is dat zich luchtbelletjes ophopen in het koelwatergedeelte. die luchtbelletjes ontstaan omdat het koelwater opwarmt en dan minder opgeloste gassen kan bevatten. dat belemmert het koelen flink heb ik gemerkt. je moet de koeler dan een paar keer ronddraaien zodat de lucht eruit komt en dan koelt hij ineens veer een stuk beter.

hansHalberstadt · 24-08-2022 11:58 u

Inmiddels heb ik een verbeterde versie van de berekening voor de tegenstroomkoeler. De berekening is nu gebaseerd op de echte temperatuur over de tijd dat wort en koelwater in de betreffende cel zit. (voor insiders: 2 gekoppelde differentiaal vergelijkingen, zie tab achtergrondinfo)
Hiermee los je het probleem op van een grove benadering van grote temperatuurveranderingen als het koelwater relatief lang in een cel zit (lage koelwater snelheid) met de exacte berekening maakt het niet meer uit hoelang het duurt. Hiervoor zitten 2 functies als macro's geprogrammeerd, dus moet je bij deze sheet macro's aanzetten om het te laten werken.

Bestand zit als zip file erbij omdat je geen xlsm extensie kunt uploaden

wortkoelenv2c.zip

hansHalberstadt · 26-08-2022 12:26 u

Inmiddels nog iets verder gekomen. Het blijkt dat de sheet nog niet helemaal goed werkt als de stroomsnelheid voor wort en koelwater verschillend is. dat komt omdat in de sheet een vaste hoeveelheid segmenten wordt gebruikt en steeds 1 doorgeschoven wordt. Maar dat mag alleen als de stroomsnelheden gelijk zijn.
Ik ben nog aan het nadenken of dat op te lossen is.