葡萄酒冷凍降溫系統(tǒng)乙二醇載冷劑工藝設(shè)計(jì)

楊壽發(fā)，劉 融，于晉澤，李國(guó)華

（國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品保鮮工程技術(shù)研究中心，天津300384）

葡萄酒是一種營(yíng)養(yǎng)豐富的低酒精度發(fā)酵飲料，歷來(lái)深受各類消費(fèi)群體的鐘愛(ài)。但葡萄酒的不穩(wěn)定性嚴(yán)重影響酒的質(zhì)量。直接影響葡萄酒的穩(wěn)定性并使酒的風(fēng)味發(fā)生異常變化的是酒中大量的膠體物質(zhì)、酒石酸鹽類物質(zhì)及多酚類物質(zhì)。

在溫度相差懸殊的環(huán)境中，葡萄酒中會(huì)形成不易覺(jué)察的細(xì)粒狀物，致使澄清的酒液發(fā)生霧濁、渾濁甚至出現(xiàn)沉淀。冷凍降溫處理是將葡萄汁溫度降至10℃以下，以利于葡萄汁中懸浮物質(zhì)的沉降。降溫是葡萄酒穩(wěn)定與質(zhì)量改良的重要方法。

葡萄酒經(jīng)過(guò)冷凍處理，其感官質(zhì)量明顯得到改善，酸澀味降低，葡萄酒變得更加圓潤(rùn)，同時(shí)葡萄酒的穩(wěn)定性大大提高。所以長(zhǎng)久以來(lái)，葡萄酒降溫設(shè)備的研究是重要的研究課題。

1 低溫乙二醇載冷劑葡萄酒冷凍降溫系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)工作原理

由R22制冷系統(tǒng)提供冷源，通過(guò)制冷系統(tǒng)的不銹鋼釬焊式板式換熱器將乙二醇水溶液載冷劑降溫至-6～-8℃；再由載冷劑循環(huán)泵將低溫載冷劑輸送至葡萄酒老化罐冷卻盤管，對(duì)老化罐內(nèi)的葡萄酒進(jìn)行冷卻；如此循環(huán)往復(fù)，直至將老化罐內(nèi)的葡萄酒降溫至-5℃，冷卻工作結(jié)束進(jìn)入保溫循環(huán)狀態(tài)。此時(shí)由溫度控制器根據(jù)酒溫設(shè)定值，控制老化罐冷卻盤管載冷劑進(jìn)口電磁閥及回水電磁閥的開閉，將罐內(nèi)酒溫保持在規(guī)定范圍內(nèi)。

載冷劑系統(tǒng)采用開式循環(huán)工作方式，系統(tǒng)安裝1臺(tái)載冷劑循環(huán)泵及1臺(tái)乙二醇開式保溫水箱。乙二醇水溶液由開式水箱通過(guò)Y型過(guò)濾器進(jìn)入循環(huán)泵吸入口；經(jīng)循環(huán)泵增壓后輸送至板式換熱器降溫；低溫乙二醇水溶液再進(jìn)入老化罐冷卻盤管，冷卻葡萄酒后回到水箱。

1.2 低溫乙二醇載冷劑葡萄酒冷凍降溫系統(tǒng)與采用氟利昂制冷劑直接對(duì)葡萄酒進(jìn)行冷卻系統(tǒng)的對(duì)比

本技術(shù)主要特點(diǎn)是采用低溫乙二醇載冷劑間接對(duì)葡萄酒進(jìn)行工藝?yán)鋮s，載冷劑系統(tǒng)采用開式循環(huán)。與采用氟利昂制冷劑直接對(duì)葡萄酒進(jìn)行冷卻的系統(tǒng)比較有如下優(yōu)勢(shì)：葡萄酒生產(chǎn)工藝流程保持不變，僅利用原有的老化罐，對(duì)葡萄酒進(jìn)行低溫冷卻。冷卻過(guò)程中葡萄酒與冷卻設(shè)備不發(fā)生接觸，不需增加清洗和滅菌工序，確保葡萄酒生產(chǎn)質(zhì)量。由于采用載冷劑間接冷卻葡萄酒，載冷劑溫度穩(wěn)定在-6～-8℃范圍內(nèi)，可減少葡萄酒在冷卻工程中發(fā)生凍結(jié)的程度，比其他冷卻方式優(yōu)勢(shì)明顯。由于采用開式水箱，增加了載冷劑系統(tǒng)的蓄冷量和熱穩(wěn)定性。

2 低溫乙二醇載冷劑葡萄酒冷凍降溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

葡萄酒的冷凍處理過(guò)程，是通過(guò)冷凍機(jī)組和冷凍罐來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)冷凍處理，可以去除葡萄酒的一部分酒石酸鹽和色素等物質(zhì)，使葡萄酒更加穩(wěn)定并改善葡萄酒的感官質(zhì)量。在冷凍處理過(guò)程中，首先是使酒溫盡快達(dá)到冷凍溫度（約-5℃），而酒溫降低的速度與待冷凍酒的數(shù)量和酒溫、冷凍機(jī)組的制冷量、冷凍罐的結(jié)構(gòu)等有關(guān)。相同的冷凍設(shè)備條件下，酒溫降低的速度由待冷凍酒的數(shù)量與酒溫決定。葡萄酒生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)酵溫度的控制和葡萄酒的冷處理，均需要提供冷量。因此冷負(fù)荷的確定和冷卻方式的選擇，直接影響到葡萄酒的生產(chǎn)。溫度應(yīng)越低越好，可降到接近葡萄酒冰點(diǎn)，保持在冰點(diǎn)以上0.5～1.0℃。

2.1 需用冷量計(jì)算

2.1.1 發(fā)酵需用冷量的計(jì)算

發(fā)酵需用冷量可按下式計(jì)算：

式中：Q—需用冷量，kW；

Vs—發(fā)酵液體積流量，m3/s；

C—發(fā)酵液比熱，kJ/kg℃；

P—發(fā)酵液密度，kg/m3；

tm—發(fā)酵時(shí)的最高溫度，℃；

tg—發(fā)酵時(shí)許可的最高極限溫度，℃；

發(fā)酵時(shí)許可的極限溫度tg：干白葡萄酒tg=22℃；干紅葡萄酒tg=32℃。

發(fā)酵時(shí)的最高溫度tm可按下式計(jì)算：

式中：t0—發(fā)酵初始溫度，℃；

△t—發(fā)酵引起的溫度升高值，℃；

△t可按發(fā)酵過(guò)程中每生成1度酒精使發(fā)酵液溫度升高1.3℃計(jì)算。

例如，發(fā)酵后的酒度為12°，則：△t=12×1.3=15.6℃。

2.1.2 冷處理需用冷量計(jì)算

冷處理包括待發(fā)酵葡萄汁的低溫澄清和葡萄酒的冷穩(wěn)定處理。

需用冷量可按下式計(jì)算：

式中：Q—冷處理需用冷量，kW；

Vs—葡萄汁或葡萄酒的體積流量，m3/s；

C—葡萄汁或葡萄酒的比熱，kJ/kg℃；

P—葡萄汁或葡萄酒的密度，kg/m3；

t0—初始溫度，℃；

th—冷處理溫度，℃。

冷處理溫度：低溫澄清th=5℃；穩(wěn)定處理th=-（酒度-1/2）℃（即葡萄酒的冰點(diǎn)）。

2.2 降溫設(shè)備各系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

降溫設(shè)備各系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1、2、3。

表1 制冷系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

表2 冷卻系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

表3 載冷劑系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

2.2.1 制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)

2.2.2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)

2.2.3 載冷劑系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

3 低溫乙二醇載冷劑葡萄酒冷凍降溫系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)

3.1 冷凍降溫系統(tǒng)組成及工藝

低溫工藝?yán)鋮s系統(tǒng)由R22制冷系統(tǒng)、乙二醇載冷劑系統(tǒng)（老化冷凍罐：內(nèi)置冷凍盤管）、自動(dòng)控制系統(tǒng)3部分組成。

3.2 制冷設(shè)備選型

根據(jù)制冷負(fù)荷計(jì)算，制冷系統(tǒng)選用風(fēng)冷半封閉制冷壓縮冷凝機(jī)組，機(jī)組主機(jī)采用德國(guó)Bitzer半封閉制冷壓縮機(jī)。機(jī)組配有氣液分離器、干燥過(guò)濾器、電磁閥等輔機(jī)設(shè)備。機(jī)組設(shè)有高壓保護(hù)、低壓保護(hù)、電機(jī)超溫保護(hù)等多種保護(hù)方式，確保制冷機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。機(jī)組具有運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪音低、制冷效率高、節(jié)能效果顯著的優(yōu)點(diǎn)。為確保機(jī)組在寒冷季節(jié)的可靠工作，機(jī)組設(shè)有冷凝壓力調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。制冷機(jī)組在名義工況下制冷量能滿足設(shè)計(jì)計(jì)算要求。冷凝器選用高效V型風(fēng)冷冷凝器，安裝在室外。膨脹閥選配1只丹麥Danfoss公司生產(chǎn)的TDEX8外平衡熱力膨脹閥。制冷系統(tǒng)換熱器選用進(jìn)口阿法拉伐公司生產(chǎn)的AC-70X-66H型不銹鋼釬焊式板式換熱器，用于載冷劑冷卻。該換熱器體積小，換熱效率高，性能穩(wěn)定。

3.3 載冷劑系統(tǒng)選型

載冷劑系統(tǒng)采用乙二醇水溶液閉式循環(huán)系統(tǒng)，冷卻介質(zhì)為35%乙二醇水溶液。載冷劑系統(tǒng)由載冷劑循環(huán)泵、不銹鋼釬焊式板式換熱器、老化罐盤管、乙二醇開式保溫水箱及管路閥門組成。

載冷劑系統(tǒng)循環(huán)泵選配ISG40-125（I）型立式離心泵，流量12.5m3/h，揚(yáng)程20m，功率1.5kW。

在每臺(tái)老化罐制冷劑進(jìn)液口設(shè)供水電磁閥及回水電磁閥，用于葡萄酒的保溫冷卻過(guò)程，防止葡萄酒凍結(jié)。

載冷劑系統(tǒng)管路采用PN1.6MpaPP-R塑鋁復(fù)合穩(wěn)態(tài)管，管路連接方式為熱熔焊接。所有管件及閥門均采用PP-R專用系列產(chǎn)品。管路保溫采用B2級(jí)橡塑保溫管，保溫厚度25mm；設(shè)備保溫采用B2級(jí)橡塑保溫板，厚度30mm。

3.4 電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)

電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)由制冷系統(tǒng)電氣控制柜和老化罐酒溫控制箱及電氣配線組成。

制冷系統(tǒng)控制柜負(fù)責(zé)載冷劑循環(huán)泵的啟動(dòng)/運(yùn)轉(zhuǎn)/停止，同時(shí)由意大利dixell公司生產(chǎn)的XR03C型電子控制器，根據(jù)設(shè)定的運(yùn)行參數(shù)，自動(dòng)控制制冷系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。控制系統(tǒng)可顯示乙二醇載冷劑的溫度及控制參數(shù)設(shè)定值。控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)制冷壓縮機(jī)的YY啟動(dòng)，可根據(jù)冷凝壓力設(shè)定值，自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)冷冷凝器風(fēng)機(jī)電機(jī)的工作臺(tái)數(shù)。控制系統(tǒng)具有低溫報(bào)警、高溫報(bào)警、低壓保護(hù)、高壓保護(hù)、壓縮機(jī)耐氟電機(jī)溫度保護(hù)及電機(jī)熱保護(hù)等多重保護(hù)功能。

老化罐酒溫控制箱安裝意大利dixell公司生產(chǎn)的XR30C型電子控制器，根據(jù)設(shè)定的溫度參數(shù)，自動(dòng)控制老化罐的供、回水電磁閥及攪拌器電機(jī)的工作，將老化罐內(nèi)的葡萄酒溫度控制在設(shè)定范圍內(nèi)。降溫后的葡萄酒在老化罐中貯藏至酒石酸氫鉀下降到0.7g/L作為終點(diǎn)。

4 實(shí)際應(yīng)用

本系統(tǒng)在黑龍江省牡丹江林場(chǎng)自建葡萄酒釀酒廠通過(guò)技術(shù)改造方式投入運(yùn)行，與原系統(tǒng)相比，溫度控制精度與原系統(tǒng)相比得到了極大的提高，并且自動(dòng)化程度高，尤其是在短期停電期間，系統(tǒng)所蓄冷量即可滿足生產(chǎn)要求，不會(huì)造成停產(chǎn)。由于溫度控制精度的提高，所產(chǎn)葡萄酒的品質(zhì)也比以前有所提升，并且得到了消費(fèi)者的認(rèn)可。提高了葡萄酒的銷量。所以，本系統(tǒng)的采用，也給企業(yè)帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)效益的提升。

5 結(jié)論

葡萄酒質(zhì)量的好壞與設(shè)備有著密切的關(guān)系，冷凍降溫使葡萄酒達(dá)到一定澄清度以免酒石結(jié)晶沉淀，是提高葡萄酒穩(wěn)定性的工藝方法。該套降溫工藝設(shè)備具有冷凍處理時(shí)間短，能量消耗低，降溫迅速，并且可以提升葡萄酒風(fēng)味以及可連續(xù)進(jìn)行設(shè)備操作的優(yōu)點(diǎn)。在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到冷處理的溫度，葡萄酒出罐保持其最低溫度達(dá)到了較好效果。由于葡萄酒口味得到了消費(fèi)者的認(rèn)可，所產(chǎn)葡萄酒銷量的提升，也能給企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，在葡萄酒生產(chǎn)的工藝?yán)鋮s中值得推廣。

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