120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

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markrickenbacher
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120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#1

Beitrag von markrickenbacher »

Hi Leute

Ich habe das Thema damals schon im folgenden Faden angesprochen:
viewtopic.php?f=21&t=11384&view=unread#unread

Mittlerweile wird es konkreter, die Hardware steht im Keller bereit und will nun von mir verkabelt und programmiert werden. Konkret plane ich folgendes:

Der Speidel 120 Gärtank mit Doppelwand und Kühlkreislauf soll via Heilea HC-300 Aquariumkühler für UG und OG Biere gekühlt werden können.
20170222_165629.jpg
20170222_165644.jpg
20170222_165702.jpg
Von verschiedenen Seiten wurde ich darauf aufmerksam gemacht, dass ein direkter Kreislauf Heilea -> Pumpe -> Gärtank -Heilea nicht möglich sei und ich zwingend einen Ausgleichsbehälter zwischenschalten muss. Einige von Euch haben hierzu eine kleine Kühltruhe im Einsatz. Mein erklärtes Ziel ist es aber ohne diesen Ausgleichsbehälter aus zu kommen. Dazu möchte ich von der Pumpe mittels 1/2 Rohr oben in den Kühlkreislauf des Speidel Gärtank rein und unten vom Gärtank via Schlauch in den Durchlaufkühler rein und dann via Schlauch noch vom Durchlaufkühler zur Pumpe. Das ganze könnte ich noch mit einem Entlüftungsventil kombinieren und hätte so einen geschlossenen Kreislauf und eine sehr kompakte Lösung. Zusätzlich könne ich später am 1/2 Rohr noch eine Heizbegleitung anbauen, sollte es an kalten Tagen nötig sein zu wärmen.

Hat Jemand von Euch was ähnliches gebaut oder verfügt über die Erfahrung, wie so etwas aufzubauen wäre?

Gruss, Mark
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Ladeberger
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#2

Beitrag von Ladeberger »

Ich würde mir an deiner Stelle auch Gedanken machen, ob die mangels Pufferbehälter kurzen Schaltzyklen dem Kompressor so gut tun.

Gruß
Andy
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§11
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#3

Beitrag von §11 »

Ladeberger hat geschrieben:Ich würde mir an deiner Stelle auch Gedanken machen, ob die mangels Pufferbehälter kurzen Schaltzyklen dem Kompressor so gut tun.

Gruß
Andy
Guter Punkt. Und die Frage ist ob deine Kuehlleistung ausreicht die Spitzenleistung (UG in Hochkraeusen) ohne thermischen Puffer abzufangen. Aus dem Grund arbeiten auch grosse Brauereien mit einem Eisspeicher.

Ohne jetzt die genauen Zahlen im Kopf zu haben. Aber nehmen wir mal an die Hefe produziert 1J im Haochkraeusenstadium, das 12 Stunden anhaelt. Dann haben wir eine Leistung von etwa 43kW die das System abfuehren muss. Das bleibt auch gleich. Nun ist aber natuerlich die Frage ob das System diese Leistung direct aufbringen muss, oder sich diese Energiemenge eben in einem zehnfach groesseren Puffer "verteilt". Damit nimmt naemlich die Energiedichte ab, was in deinem Fall einem kleineren Delta der Temperatur entspricht.

Um es einfacher auszudruecken, die Kuehlung arbeit laenger und damit verteilt sich die abzufuehrende Waerme auch auf einen laengeren Zeitraum.

Jan
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#4

Beitrag von DerDerDasBierBraut »

Die benötigte Kälteleistung und die Laufzeit des Kühlers kann man relativ leicht berechnen.
Ich biete meinen HC-300A gerade bei Ebay Kleinanzeigen an und musste einem potentiellen Käufer vorrechnen, dass das Teil für sein 450 Liter Aquarium ausreicht. Gekauft hat er trotzdem nicht ;-).

Du kannst die Berechnung gerne auf Deine 120 Liter und die nötige Temperaturdifferenz für Dein UG umstellen und ausrechnen ob der Kühler für Dein Vorhaben passt. Ich denke schon. 120 Liter sind definitiv nicht zu viel für das Teil. Ohne Ausgleichsbehälter stelle ich mir das Projekt aber schon schwieriger vor.

gewünschte Temperaturdifferenz: 30°C-18°C= 12 Kelvin
Wärmekapazität Wasser: 1,162 Watt / Liter*Kelvin
Kälteleistung des Kühlers: 390 Watt


12 Kelvin * 1,162 Watt/Liter*Kelvin * 450 Liter = 6275 Watt
(6275 Joule zu entfernende Wärmeenergie)

6275 Watt * 1 Stunde : 390 Watt = 16,11 Stunden

Selbsterwärmung des Aquariums bei 30°C Raumtemperatur pro Tag:
2°C (2 Kelvin)
- bitte prüfen wie stark sich das Aquarium tatsächlich innerhalb von 16 Stunden selbst erwärmt –

Probe:
6275 Joule : 16,11 Stunden = 389,5 Joule/Stunde = 390 Watt
(s. Kühlleistung des Kühlers)

Kompensation der angenommenen Selbsterwärmung in 16 Stunden:
----------------------------------------------------------------------------------
Dreisatz:
16 Stunden * 2 Kelvin : 12 Kelvin = 2,66 Stunden

(Laufzeit um 2°C Selbsterwärmung zu kompensieren)
----------------------------------------------------------------------------------


Ob das mit der Kühlmanschette so gut funktioniert bezweifle ich. Oben wird sich eine viel zu warme Schicht bilden, unten eine zu kalte. Erst wenn die Gärung aktiver wird und die CO2 Blasen für die nötige Konvektion sorgen hast Du gleichmäßige Temperaturen im Gärtank.
Genau das gleiche Problem habe ich auch bei meinem 60 Liter Gärbottich. Der Temperatursensor sitzt auf halber Höhe im Bottich und der Inkbird hat den Kühler so angesteuert, dass am Sensor zwischen 8,25°C und 8,75°C herrschen. Die Temperatur oben im Bottich nahm laut iSpindel erst 18 Stunden später ab, als die Gärung richtig in Wallung kam.
(s. Pils Graph)
https://app.ubidots.com/ubi/public/getd ... nU6jvzkfLY
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#5

Beitrag von §11 »

Ja, nein (wie der Bayer sagen würde)

Die Rechnung ist schon richtig nur reden wir nicht nur von der Erwärmung durch die Umgebung sondern Hefe erzeugt beim stoffwechseln Energie in Form von Wärme und zwar nicht zu knapp. Irgendwo hatte ich sogar mal einen Wert dafür.

Gruß Jan
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#6

Beitrag von DerDerDasBierBraut »

Findest Du den Wert irgendwo? Das wäre echt interessant für zukünftige Projekte.
Die entstehende (und mit anzuführende) Gärungswärme könnte man oben recht schnell mit einrechnen. Vorausgesetzt man kennt den Wert. 2-3°C Erwärmung in x Stunden (während der wilden Gärung) anzunehmen währe wohl etwas zu stark vereinfacht nehme ich an. :redhead
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#7

Beitrag von §11 »

DerDerDasBierBraut hat geschrieben:Findest Du den Wert irgendwo? Das wäre echt interessant für zukünftige Projekte.
Die entstehende (und mit anzuführende) Gärungswärme könnte man oben recht schnell mit einrechnen. Vorausgesetzt man kennt den Wert. 2-3°C Erwärmung in x Stunden (während der wilden Gärung) anzunehmen währe wohl etwas zu stark vereinfacht nehme ich an. :redhead
Im Grunde lässt sich der Wert auch "zu Fuß" ermitteln. Wir wissen ja wieviel Energie bei der "Vergärung" eines Mols Glucose frei wird und zwar aus der Reaktiobsgleichung. Mit dem Wert der Extraktabnahme je Zeiteinheit kommt man auf die Freiwerdens Energie.

Ich schau ob ich den Wert wieder finde :Wink

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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#8

Beitrag von bierkind »

Hi,

wir haben genau den gleichen Aufbau wie du, 240L Speidel Gärtank m. Isolationsmantel --> 24V china pumpe --> Hailea.
Wir habens auch ohne Ausgleichsbehälter probiert. Ich sags wies is, wir habens nicht hinbekommen :P

Nimm einen 5L Wasserkanister den du oben mittels Gardena (oder was auch immer) Anschluss ins System hängst. Ist am einfachsten. Sonst läuft die Pumpe nur trocken.
Bei uns wars jedenfalls so, wir pumpen unten in den Mantel rein, dass das warme wasser von oben wieder im Kühler landet. Vielleicht gings auch ohne Ausgleichsbehälter, wenn man einen anderen Aufbau macht, bei uns funktionierts jedenfalls perfekt :thumbsup

Kann auch gerne meinen Spezl zwecks Bilder fragen, das gute Ding steht nämlich bei ihm im Keller.

LG

Alex

PS: vergesst bitte bei euren Berechnungen nicht, dass bei einem unisolierten Tank auch die Umgebungstemp entscheidend ist. ich möchte gar nicht wissen wie viel Kälteleistung man da umsonst reinbuttern muss :Drink
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#9

Beitrag von markrickenbacher »

Hi all

Vielen Dank für die professionelle Beratung in der Sache :thumbsup

@Andy
Ich bin mir nicht sicher, ob ein Kompensationsgefäss wesentlich zur Reduktion der Schaltzyklen beiträgt. Ich habe die Kühlmittelmenge noch nicht ausgelitert, gehe aber davon aus, dass ich ca. 12 Liter Kühlwasser im Kreislauf haben werde. Im Ausgleichsbehälter würden dann nur noch ca. 7 Liter hinzukommen. Dämpfend in meiner Vorstellung wirken ja hauptsächlich die 120 Liter Bier im Tank. Der Temperatursensor ist mit seiner Fühlerlänge exakt im Mittelpunkt der Gärtanks angebracht. Wenn nun dort z.B. 11°C gemessen werden, so gehe ich davon aus, dass der Kühler eine ganze Weile läuft bis z.B. eine Temperatur von 8°C gemessen wird (s. Berechnung unten).

@Jan
Wie oben aufgeführt wird die zusätzliche Menge an Kühlwasser im Ausgleichsbehälter meiner Meinung nach nicht wirklich stark zur Verteilung der Wärme beitragen. Dass ich aber darin z.B. Kühlpacks einbringen könnte, um die Kühlung in der Startphase der Gärung zu unterstützen, sehe ich als Vorteil.

@Jens
Danke für die Berechnungsgrundlage. Ausgehend von 120 Liter Würze bei 25°C und einer geforderten Gärtemperatur von 10°C würde bei einer Kühlleistung von 390W über den Daumen gerechnet ca. 5h benötigt werden. Weiter davon ausgehend dass ich der Tank bei 30° Aussentemperatur um 2°C eigenerwärmt und weitere 3°C bei der stürmischen Phase der Gärung erzeugt werden würde der Hailea also innerhalb von 24h insgesamt ca. 1.5h laufen müssen. Aus dem Bauch raus ist das wenig und vermutlich mache ich hier einen Brechungsfehler oder aber die Theorie weicht von der Praxis ab :Waa . Weiter hoffe ich schon, dass das Konzept der Kühlmanschette von Speidel funktioniert und sich keine Wärmeschichten bilden :thumbup

@Alex
Super, habe gehofft, dass irgendwer im Forum das so ähnlich schon gebaut hat. Bilder Eurer Anlage und auch die verwendete Pumpe würden mich sehr interessieren. Nil im Forum (t3k) und auch Klaus (Dyrdlingur) haben ähnliche Settings. Die Beiden verwenden aber anstelle der einfachen Plastikeimers eine Kühlbox um nicht zu viel Wärmeverlust zu haben. Somit scheint die Lösung grundsätzlich zu funktionieren. Wenn Du sagst, dass das mit einem anderen Aufbau ggf. auch ohne Ausgleichsbehälter funktionieren könnte, was genau meinst Du damit?

Nochmals Danke an Euch alle, super Hilfe!

Gruss, Mark
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#10

Beitrag von philipp »

Du brauchst auf alle Fälle einen Druckausgleichsbehälter. Das kann, wie bierkind schreibt, ein offener 5l-Kanister sein. Alternativ geht auch einer aus dem Heizungsbau, wenn du dann ein oder zwei Bar Überdruck im System haben möchtest (vorher unbedingt den Gegendruck passend Einstellen - Systemdruck -0,5Bar oder so).

Ansonsten hast du das Problem, dass wenn das Wasser wärmer wird, dieses dir die Leitung sprengt (oder den Kühlmantel ausbeult). Das Zeug nimmt da keine Gefangenen. Im umgekehrten Fall wird das System irgendwo Luft ziehen. Beides möchtest du nicht.
Der Porter, den man in London gemeiniglich Bier zu nennen pflegt, ist unter den Malz-Getränken das vollkommenste.
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#11

Beitrag von philipp »

Hier mehr Infos zum Ausgleichbehälter:
http://www.bosy-online.de/ausdehnungsgefaesse.htm

Denk auch an den Korrosionsschutz: Sprich: Gewisse Metalle dürfen im Kreislauf nicht gemischt werden. Noch dazu solltest du entmineralisiertes Wasser einsetzen. Ansonsten verspackt dir das System...
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#12

Beitrag von DerDerDasBierBraut »

bierkind hat geschrieben: PS: vergesst bitte bei euren Berechnungen nicht, dass bei einem unisolierten Tank auch die Umgebungstemp entscheidend ist. ich möchte gar nicht wissen wie viel Kälteleistung man da umsonst reinbuttern muss :Drink
Das kannst Du ganz leicht ermitteln, wenn Dein Tank demnächst mal leer ist. Einfach Wasser auf Gärtemperatur runterkühlen und einen Tag ohne aktive Kühlung stehen lassen. Jeweils nach dem Runterkühlen und nach 24 Stunden die Temperaturen oben und unten im Tank messen. Dann ist klar welche Wärmemenge der kalte Tank "von selbst" aus der Umgebung aufnimmt. Nach jedem Sud kannst Du beim Ausspülen eine andere Art Wärmeisolation testen bis das Optimum gefunden ist. :Angel

@Mark
Ich glaube Deine Berechnung stimmt so weit. Bei meinem 60 Liter Pott läuft der Kühler etwa alle 75 Minuten für 1-2 Minuten an. Sieht man auch schön in dem Link oben. Der hat eine innenliegende Kühlschlange, 10mm Armaflexisolierung und steht bei etwa 23°C Raumtemperatur.

Ein offener Ausgleichsbehälter muss entweder oben stehen (Oberkante Manschette) oder groß genug sein, um die Gesamtwassermenge des Systems fassen zu können. Sonst läuft er einfach über wenn die Pumpe nicht läuft. Ein geschlossener Ausgleichsbehälter, der unten beim Kühler steht, muss druckfest sein. Habe ich auch schmerzhaft gelernt, als der Deckel meiner "Ausgleichs-Tupperdose" abgeflogen ist und ich (mal wieder) die Küche wischen durfte. :Bigsmile
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#13

Beitrag von chickenfarmer »

Kurze Frage : Ist der Kühlmantel überhaupt Druckfest ?
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bierkind
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#14

Beitrag von bierkind »

markrickenbacher hat geschrieben:Hi all

Wenn Du sagst, dass das mit einem anderen Aufbau ggf. auch ohne Ausgleichsbehälter funktionieren könnte, was genau meinst Du damit?


Gruss, Mark
Wenn du die Pumpe so sensibel einstellst, dass evtl fast kein Druck im System ist, und du an der obersten Stellen ein langes "Steigrohr" machst, ewig nachschüttest, bis keine Luft mehr im System ist, könnte das Evtl funktionieren. ISt aber rein theoretisch und zahlt sich nicht aus. der Ausgleichsbehälter ist einfach so simpel. Beim Speidel 240L Tank reicht ein halb gefüllter 5L Plastikkanister. Der ist bei uns geschlossen, funktioniert super. Wir haben einfach einen Wasseranschluss in den Deckel gemacht, das Ganze am oberen Auslass mit einem 1" T-Stück ins System eingebunden, fertig. Der Kanister steht selbstverständlich über dem oberen Auslass des Kühlmantels.

Ich werde schauen dass ich zu einem Bild komme. :Smile

Der Ausgleichsbehälter ist ja nicht im "aktiven" Kühlkreislauf. Sprich das Wasser im Ausgleichsbehälter kommt ja nie durch den Kühler. Der Kälteverlust ist daher meines Erachtens maginal. Es handelt sich in dem Fall echt nur um einen Ausgleichsbehälter und keinem Kältepuffer wie oben erwähnt :Wink


BTW- man kann das Ganze sehr einfach berechnen, siehe hier Post #10

viewtopic.php?f=3&t=10114&view=unread#unread

Aja die Pumpe:

Pumpe
Wurde glaub ich schon öfters im Forum erwähnt, gibts auch in der 12V Variante, ist leise und hält super viel aus, auch hitzebeständig, kann also auch als Läuterpumpe, etc verwendet werden :thumbsup
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#15

Beitrag von markrickenbacher »

Hi Leute

Ok, dass wird immer wie konkreter. Nach dieser weiteren Runde habt ihr mich überzeugt und ich habe mich für einen Ausgleichsbehälter entschieden. Anders als bei Alex will ich das Wasser vom Behälter aber aktiv im Kühlkreislauf haben. Ich sehe die folgenden Vorteile für mich:
  • 1.Will ich auf UG Temperatur kommen kann ich den Hailea zusätzlich mit Ice-Packs im Ausgleichsbehälter unterstützen
  • 2.Muss ich später für OG ggf. heizen so könnte ich das ebenfalls via Ausgleichsbehälter erledigen
  • 3.Der Ausgleichsbehälter (verm. Kühlbox) kann ich unten gleich neben dem Hailea palzieren, was für mich optisch besser aussieht als diesen über dem Gärtank anzubringen. Das steht alles im Vereinslokal und soll doch ansprechend aussehen
Wie Jens betont ist es wichtig, dass der gewählte Ausgleichsbehälter geschlossen ist und die gesamte Kühlmittelmenge aus dem Kühlmantel und den Schläuchen übernehmen kann. Ich will im Kühlkreislauf sicher keinen Druck entstehen lassen, da der Kühlmantel des Gärtanks hier nicht für vorgesehen ist!

Wie Philipp vorschlägt werde ich als Kühlmedium destilliertes Wasser nehmen und dieses mit z.B. AlguMin mischen

Soweit habe ich nun einen Plan. Ich denke die unsicherste Komponente im System ist die Pumpe, welche ich zur Hand habe. Diese ist eine Zirkulationspumpe für Heisswasser und kann nicht ansaugen. Ich hoffe, dass diese trotzdem stabil funktioniert, wenn ich diese ganz unten bei der Kühlbox anbringe.

Das würde vom Prinzip her dann etwa so aussehen:
01_Bild.jpg
01_Bild.jpg (41.85 KiB) 20070 mal betrachtet
Gruss und Danke an Euch,
Mark
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#16

Beitrag von philipp »

Und dann soll immer, wenn die Pumpe ausgeht, das ganze System leerlaufen? Dann bist du ja ständig am Entlüften?

Schau unbedingt nach, wie viel Druck am Ausgang deine Pumpe schafft. 0,3 Bar heißt: höher als 3 Meter kann sie nicht pumpen. (In einem Haus geht das trotzdem, weil der Kreislauf da geschlossen und entlüftet ist, da muss man nur noch gegen die Reibung pumpen.
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#17

Beitrag von markrickenbacher »

Hi Philipp

Du hast recht, das habe ich nicht berücksichtigt. ich habe vor diese Pumpe zu verwenden:
http://www.pumpendiscounter.de/ReigaGbR ... 14-B-.html

Ja, das System wird halt einfach leer laufen, wenn die Pumpe ausschaltet. Bezüglich der Mantelisolation sehe ich hier keine Probleme. der Hailea Kühler wird insofern nicht leer laufen als dass dieser ja auf der selben höhe steht wie die Kühlbox.

Zur Not hätte ich noch eine kleine Tauchpumpe welche ich an Stelle der Grundfoss direkt in die Kühlbox stellen könnte. Hier habe ich aber den Typen nicht gerade zur Hand.

Gruss, Mark
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#18

Beitrag von philipp »

Die Pumpe hat eine Förderhöhe von 1,2m. Das wird knapp. Vor allem, da du genug Power haben musst, alles schneller zu füllen als das wieder aus dem Mantel raus läuft.

Ich würde also von unten in den Mantel reinpumpen und den Ausgleichbehälter danach an die höchste Stelle stellen. Dann entlüftet sich das System auch automatisch (unten in den Ausgleichbehälter rein und unten auch wieder raus, damit es nicht plätschert.)
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#19

Beitrag von markrickenbacher »

Hi Philipp

Ja, 0.12 Bar respektive 1.2 Meter förderhöhe sind sehr knapp bemessen. Wenn ich Dich richtig verstehe würdest Du diese Anordnung empfehlen:
02_Bild.jpg
So würde das System nicht leer laufen nur weiss ich nicht ob die Pumpe mit kaum Ansaugleistung aus der Leitung (1) ansaugen wird. Eigentlich sollte sich dort ja keine Luft bilden und somit müsste es gehen. Erst jetzt mit dem Bild verstehe ich auf was Ihr die ganze Zeit hinaus wolltet :thumbsup

Sieht einfach nicht gut aus, wenn da im Vereinslokal über dem Gärtank eine eine kleine Kühlbox thront :Grübel

Gruss, Mark
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#20

Beitrag von DerDerDasBierBraut »

Die Pumpe bringt aber auch nur 800 Liter pro Minute. Der Wert wird rapide sinken, wenn sie gegen große Höhenunterschiede oder Leitunsgwiderstände gegenanpumpen muss. Der Hailea braucht mindestens 600 Liter Durchfluss pro Minute. Mit der Pumpe liegst Du also nicht nur bei der Förderhöhe hart an der Grenze.
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#21

Beitrag von markrickenbacher »

Hi

Das bin ich mir bewusst und wirklich wohl ist mir nicht dabei. Ein stabiler Kühlprozess ist unbedingt erforderlich und ich möchte deshalb auf Qualität/Stabilität bei der Pumpe setzten. Die Grundfos UP 15-14 ist halt qualitativ ein wertigeres Produkt als die hier viel zitierte China Pumpe (ich will keinen beleidigen der die einsetzt und habe bisher auch nichts Negatives gelesen). Eine weitere Pumpe, welche mir zur Verfügung steht ist folgende:

https://www.digitec.ch/de/s1/product/al ... 76-526-695

Diese könnte aus dem Gehäuse ausgebaut direkt in die Kühlbox gestellt werden. Allerdings ist diese mit 1.2m Förderhöhe und 600 L/h ebenfalls sehr knapp bemessen. Beide Pumpen in Serie? Die Redundanz würde sich auch bezüglich "meantime to failure" positiv auswirken.

Welches wertige Produkt würdet Ihr einsetzen?

Gruss, Mark
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#22

Beitrag von DerDerDasBierBraut »

Eine Pumpe kann ich Die leider nicht so richtig empfehlen. Bei meinem ersten Aufbau war die ganze Konstruktion 65cm hoch. Dort hatte ich auch eine Umwälzpumpe aus der Haustechnik (mit geringer Förderhöhe und rund 800 Liter/h Fördermenge). Diese Pumpen sind für den Dauerlauf ausgelegt und gehen schon in die richtige Richtung. Vielleicht reicht es bei Dir wirklich schon aus, mit 2 Pumpen für die nötige Durchflussmenge sorgen.
Ich habe damit nicht weiter experimentiert, weil ich auf einen Begleitkühler (mit Pumpe) umgestiegen bin. Bisher brauchte ich nur Kühlen. Die externe Pumpe mit der Rohrheizung liegt in der "umsonst gebaut" Kiste.
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#23

Beitrag von philipp »

Noch einmal: Die Heizungs / Zirkulationspumpen sind für _geschlossene_ Systeme, daher haben die nur so geringe Förderhöhen. Aber mit dem neuen Aufbau müsste das eigentlich klappen: Du hast ja keinen hydrostatischen Druck, gegen den du pumpen müsstest. Du kannst die pumpe auch vor die Kühlung setzen, quasi direkt am fallenden Anschluss des Ausgleichsbehälters. Entlüftet werden muss nach dem Doppelmantel vor dem Ausgleichsbehälter. Dann sollte das eigentlich funktionieren.
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#24

Beitrag von DrG »

Hallo,

mit der erzeugten Gärungsenthalpie (Post #7) hatte ich mich letztes Jahr etwas intensiver beschäftigt, als sich die Würze im letzten Sommer einige Male deutlich über 22°C erwärmt hat und die so hochgelobte Nottingham höhere Alkohole erzeugt hat, die später zu superfiesen Aromen verestert wurden! Damals ging es darum, welche Kühlleistung ich benötige, um die Erwärmung durch die Umgebungstemperatur und durch die Reaktionswärme abzuführen, wenn ich eine "Behelfskühlbox" aus Styroporplatten um mein 60l Gärfass baue. Ich habe lustigerweise erst später zufällig hier im Forum eine Bastelidee gesehen, die meiner fast exakt entsprach (also mal wieder das Rad zweimal erfunden...)

Damals habe ich die Wärmemengen und -leistungen wie folgt berechnet:

1) Bei der Reaktion C6H12O6 --> 2 C2H5OH + 2CO2 wird dH = 67 kJ/mol frei (Das habe ich in irgendeiner Übungsaufgabe zur chemischen Thermodynamik gefunden, lässt sich aber auch durch eine saubere Literaturquelle plausibilisieren, s.u.)

Dann habe ich das "Pferd von hinten aufgezäumt", um nicht mit Endvergärungsgraden i.S.v. Anteil des gesamten verfügbaren Zuckers, der auch tatsächlich umgesetzt wird, rechnen zu müssen.

2) 1 mol Ethanol entsprechen 46 g bzw. 1 g Ethanol entsprechen 0,0217 mol. Also werden bei der Erzeugung von 1 g Ethanol (1/2 * 67 kJ * 0,0217 = ) 0,728 kJ frei. Der Faktor 1/2 kommt daher, dass bei der oben angegebenen Reaktionsenthalpie 2 mol Ethanol erzeugt werden. In der Realität ist das noch etwas weniger, wegen der Lösungswärme des Ethanol in Wasser und das CO2 bekommt auch noch etwas Energie mit. Bei Google-Books habe ich eine interessante Quelle (Euler/Lindner: "Chemie der Hefe und der alkoholischen Gärung", 1915, S. 247) gefunden, die theoretisch berechnete Werte der Gärungsenthalpie für Glukose von etwa 28,1 kg*Kal/mol und experimentell ermittelte Werte von 133 Kal/g angibt. Wenn man das in SI.-Einheiten umrechnet, dann erhält man einen Wert von 117 kJ/mol bzw. 653 J/g für den Theoriewert bzw. 557 J/g pro Gramm Glukose aus der experimentellen Messung. Von der Größenordnung ist das zumindest plausibel zu den oben berechneten Werten.

3) Ich habe dass dann mal für ein durchschnittliches Vollbier mit 5 Vol.% bzw. 3,93 Gew.% Alkohol weitergerechnet:
1l fertiges Bier mit 3,93 Gew.% Ethanol enthält somit 39,25 g Ethanol, die bei der Gärung eine Gesamtwärmemenge von ca. 28,6 kJ erzeugt haben.

4) Aber welche Wärmeleistung resultiert hieraus?
Gehen wir für eine konservative Auslegung der Kühlleistung davon aus, dass die gesamte Gärungsenthalpie während einer stürmischen Phase von 3 Tagen (=259200 s) freigesetzt wird, dann entspricht das einer Wärmeleistung von ca. 0,11 W pro Liter fertiges (Voll-)Bier.
Wenn ich mein Fass "randvoll" mache (wiederum eine sehr konservative Annahme), dann habe ich darin etwa 55l Würze und während der 3 "stürmischen" Gärungstage eine Wärmeleistung von etwa 6 W.

Angenommen, der Gärbehälter steht halbwegs im Temperaturgleichgewicht mit der Umgebung, dann führt diese Wärmeleistung zu einer Temperaturerhöhung der Würze von ca. 0,1 K/h bzw. die Würze würde sich in ca. 10,5 h um 1K erwärmen. Wäre das Gärfass ein ideales abgeschlossenes System, so beträgt die Selbsterwärmung der Würze in diesem Rechenbeispiel etwa 6,8 K. Diese Selbsterwärmung ist im Modell des abgeschlossenen Systems mengenunabhängig, da sich die Würzemasse aus der erzeugten Wärmemenge und der hierdurch hervorgerufenen Temperaturerhöhung rauskürzt.

Fazit: Bei der Gärung von einem Vollbier mit 5 Vol.% entsteht bei konservativen Annahmen spezifische Gärungswärme von etwa 0,11 W/l.
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DrG
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#25

Beitrag von DrG »

Hallo,

da ich seit kurzem auch einen mantelgekühlten Gärtank von Speidel
my_zkg.jpg
mein Eigen nenne, habe ich mir im Vorfeld auch ein paar Gedanken zur Kühlung und den abzuführenden Wärmemengen gemacht und bin zu folgender Bilanzierung gekommen:

1) Kühlung der Würze auf Anstelltemperatur
Hier bestimmt die Kühlleistung zunächst nur die Dauer bis ich die Würze, die ich beispielsweise mit ca. 20 °C ausschlage, auf Anstelltemperatur gekühlt habe. Bei der nominalen Kühlleistung des HC-300 von 390W benötigt man von 20°C kommend für 8°C (UG) eine Zeit von
55l-Würze (im 60l Behälter): 2 h
100l-Würze (im 120l Behälter): 4,2 h

2) Halten der Gärtemperatur auf 8°C bei einer Umgebungstemperatur von 20°C
Zur Abschätzung der hierfür benötigten Wärmemengen habe ich die folgende Webseite genutzt, wo man die Isolation von Rohrleitungen interaktiv mit verschiedenen Parametern berechnen kann:
http://www.schweizer-fn.de/berechnung/w ... _start.php
Ich habe den Tank mit seinen Abmessungen als vertikales Rohrstück angenähert und die Zuleitungen als horizontale Rohrstücke mit entsprechendem Durchmesser und Länge. Dort kann man auch sehr einfach und eindrucksvoll mit der Auswirkung von verschiedenen Isoliermaterialien und Stärken spielen.
Für meinen 60l-Tank habe ich dort abgeschätzt, dass ich ohne Isolation durch die Umgebungstemperatur eine Wärmemenge von ca. 29W aus dem Tank und 15 W aus den Leitungen verloren gehen. Hinzu kommen noch die angenommenen 6W (siehe vorangehender Post) aus der Gärung. Also müssen in Summe mindestens ca. 50 W abgeführt werden. Mein Kühler hat eine nominale Kälteleistung von 270W, d.h. dass der Kühler im Schnitt etwa 20% der Zeit in Betrieb ist, um diese Wärmemenge abzuführen. Ich habe das letzte Woche auch mal mit Wasser ausprobiert, aber die Daten noch nicht sauber ausgewertet, aber die relative Kühlerbetriebszeit von 20% kommt etwa hin, eher etwas mehr. Wenn ich das ausgewertet habe und falls es jemanden interessiert, kann ich das gern noch "nachschieben".
Die benötigte Kühlleistung verringert sich rechnerisch übrigens auf ca. 18 W bei Isolation mit 25 mm Armaflex.

Ich habe die Abschätzung auch mal auf den hier vorgestellten 120l Tank übertragen und die von Speidel angegebenen Tankparameter verwendet. Hierbei komme ich bei 22°C Umgebungstemperatur, 8°C Gärtemperatur (UG) und ohne Isolierung auf eine benötigte Kühlleistung von etwa 120 W (entsprechen einer relativen Kühlerbetriebszeit des HC-300 von 30%, also 20 min EIN pro Stunde)), die sich rechnerisch bei einer Isolation von 25 mm Armaflex auf ca. 42 W (11%, also 6 min EIN pro Stunde) verringern. Das ist erstmal eine Ansage! Für einen Cold-Crash bei 0°C bräuchte man rechnerisch ohne Isolation ca. 193 W und mit 25 mm Armaflex ca. 58 W.

Obiges ist natürlich keine saubere Rechnung, aber für mich war das eine gute Überschlagsrechnung, um abschätzen zu können, welche Kühlleistung ich in etwa brauche, ob und welche Isolation erforderlich ist und welche Energie dabei umgesetzt wird.

Falls es noch weitere motivierte Rechenknechte gibt, freue ich mich über eine Rückmeldung :Smile
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markrickenbacher
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#26

Beitrag von markrickenbacher »

Wow, ich bin sprachlos.

Jede der erhaltenen Antworten in diesem Thread ist von hoher Qualität und sehr hilfreich für mich! DrG nach Deinen Herleitungen/Berechnungen ist das Dr. vor G sicher nicht gestohlen :thumbup .
Mit den 390W Kühlleistung des Hailea bin ich also mit der nötigen Reserve unterwegs. Dies sowohl um die ausgeschlagene Würze innert vernünftiger Zeit auf UG Anstelltemperatur zu bringen als auch um im Sommer bei 25° Raumtemperatur bei der stürmischen Phase der Gärung die 8°C zu halten. Cold-Crash ist insofern kein Thema für mich als dass der Hailea Kühler nur bis auf 4°C kühlt und ich sowieso in KEGs abfülle (leicht gekürzter Zapfdegen).

Eine Armaflex Isolierung ist aus ökonomischer Sicht insofern fraglich als dass bei 20 Suden pro Jahr a 7 Tagen Gärung und 80W/h Einsparung der Kühlleistung nur gerade Energiekosten von ca. 50 Euro pro Jahr eingespart werden können. Aus ökologischer Sicht ist die Einsparung von ca. 270kWh aber sicher sinnvoll – ich werde mir das durch den Kopf gehen lassen.

Gruss, Mark
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#27

Beitrag von DrG »

Hallo Mark,

bei der Kühlung gilt vermutlich die alte Pharmazeuten-Regel "Viel hilf viel" und man hat dann noch ausreichend Reserven.

Ich habe gerade nochmal meine realen Messungen mit 60l im Gärtank ohne Isolation grob durchgerechnet und komme zu folgendem Ergebnis:
29°C -> 18 °C (dT=11K) bei 20°C Umgebungstemperatur benötigen 2h 11min und bringen mich zu einer Kühlleistung von ca. 360 W (meine Kühlung hat nominale 270 W Kälteleistung ?)
18°C -> 8 °C (dT = 10 K) bei 20°C Umgebungstemperatur benötigen ca 5h (einmal zwischendurch umgerührt für homogenere Temperaturverteilung) und bringen mich zu einer experimentell bestimmten Kühlleistung von 140 W (wo ich doch rechnerisch nur etwa 3 h mit 270 W benötigt hätte)

Im stationären Zustand habe ich einen Zyklus von ca 73 Minuten von Über- und Unterschwingern bei einem Verhältnis von 53 Minuten (73 %) Kühlzeit zu 20 Minuten (27%) Ruhezeit. Also nicht ganz die von mir ausgerechneten 20%. Aber die Größenordnung stimmt :Smile
kuehlung.png
kuehlung.png (21.45 KiB) 19484 mal betrachtet
Ich hatte ganz vergessen ordentlich zu unterzeichnen, daher mit Verspätung und nicht minder freundlich:

Beste Grüße,

Gero
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#28

Beitrag von Burdy »

Hallo Freunde,

Habe nun diesen Beitrag kurz vom Sofa aus überflogen.
Wie ich aus obigen Schemata erkennen kann, wird hier die "Kälte" unten hinein gepumpt und oben rausgenommen.
Das heisst das Kühlmittel erwärmt sich mit zunehmender Höhe, analog zum Tankinhalt.

Ich würde vorschlagen, das Ganze im Gegenstrom anzuschliessen. So wird da wo es am wärmsten ist, zuerst gekühlt und weiter unter weniger. Somit stellt sich im Behälter an der Aussenwand eine Konvektion nach unten ein und innen nach oben.

Somit schlage ich zwei Fliegen auf einmal: bessere Temperaturvermischung durch Konvektion. Zum Zweiten eine effizientere Kühlung durch Gegenstromkühlung.

Beste Grüsse
René
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#29

Beitrag von DerDerDasBierBraut »

Richtig René. Die stärkere Kühlung im oberen Teil sorgt für eine stärkere Konvektion im Behälter. Das verringert die Schichtenbildung.
"Da braut sich was zusammen ... "
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Jens
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#30

Beitrag von philipp »

Burdy hat geschrieben: Ich würde vorschlagen, das Ganze im Gegenstrom anzuschliessen. So wird da wo es am wärmsten ist, zuerst gekühlt und weiter unter weniger. Somit stellt sich im Behälter an der Aussenwand eine Konvektion nach unten ein und innen nach oben.

Somit schlage ich zwei Fliegen auf einmal: bessere Temperaturvermischung durch Konvektion. Zum Zweiten eine effizientere Kühlung durch Gegenstromkühlung.
Du hast mit der Gegenstromkühlung natürlich recht, allerdings geht es hier um ein offenes System: Sprich, man muss damit rechnen, dass der Mantel nicht vollständig entlüftet ist. Wenn du nun von oben das Kühlmedium einließest, könnte der Mantel nicht anständig entlüften.

BTW: Gegenstrom wäre von unten nach oben. Unten rein, und oben mit max Temperatur wieder raus. Denn je wärmer das Kühlmedium den Mantel verlässt, desto besser wurde es ausgenutzt...
Der Porter, den man in London gemeiniglich Bier zu nennen pflegt, ist unter den Malz-Getränken das vollkommenste.
http://sammlungen.ulb.uni-muenster.de/h ... ew/1817246

Im alten Forum als 'rattenfurz' bekannt gewesen.
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#31

Beitrag von DrG »

Hallo,

nachdem ich nun eine dichtende Armatur habe, habe ich weitere Erprobungen an meinem neuen Gärbehälter durchgeführt. Für die Dichtheitsprüfung der Armaturen habe ich den nicht isolierten Behälter mit ca. 60l kaltem Leitungswasser (ca. 9°C) befüllt und so bei ca. 20°C Umgebungs-/Raumtemperatur stehen lassen. Über die im Behälter zentrierte Tauchhülse habe ich die Temperatur mit der "Gärfunktion" des CraftBeerPi während der Erwärmung durch die höhere Umgebungstemperatur aufgezeichnet.

Die Messdaten habe ich heute ausgewertet. Zunächst habe ich die Zeiten bestimmt, die zwischen zwei diskreten aufgezeichneten Temperaturstufen lag. Dadurch erhält man eine differentiellen Aufwärmgradienten dT/dt. Gleichzeitig habe ich die ausgetauschte (in diesem Fall aufgenommene) Wärmemenge bestimmt, um die 60 kg Wasser um den gemessenen Temperaturunterschied zu "erwärmen" und mit der bereits bestimmten Dauer dieses differentiellen Aufwärmvorganges eine Leistung berechnet.

Hierbei ist folgender Graph entstanden, der die momentane Leistung(-saufnahme) bei der aktuellen Medientemperatur (und der Umgebungstemperatur von 20°C) darstellt:
Selbsterwärmung.png
Selbsterwärmung.png (23.07 KiB) 19171 mal betrachtet
Der Graph zeigt eine starke Streuung der aufgenommenen Wärmeleistung zwischen 9°C und 13°C und eine geringere Streuung der Messpunkte oberhalb von 13°C. Prinzipiell ist die nahezu lineare Abnahme der Leistung mit steigender Medientemperatur plausibel, da mit abnehmendem Temperaturunterschied zur Umgebung als "treibender Kraft" auch der Wärmestrom abnehmen muss. Die mit Excel angepasste Ausgleichsgerade passt optisch zu keinem der beiden Bereiche gut. Auffällig ist auch, dass die Ausgleichsgerade die x-Achse bei ca. 19°C schneidet. Erwarten würde man einen Schnittpunkt bei der Umgebungstemperatur (hier 20°C), weil bei dieser Temperatur das Medium im Behälter im thermischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung ist und die ausgetauschte Wärmemenge dann natürlich 0 J und die zugehörige Leistung 0 W ist.
Auffällig ist auch, dass die hier experimentell bestimmten Leistungen deutlich höher sind, als die, die ich überschlagsmäßig weiter oben ausgerechnet hatte.

Wegen der großen Streuung der Messwerte habe ich in einem zweiten Schritt die Mittelwerte (nicht gleitend/überlappend) der bereits bestimmten Leistungen über einen Temperaturbereich von 1 K berechnet und in der grafischen Darstellung folgendes Ergebnis erhalten:
Selbsterwärmung_1K-Mittelwerte.png
Selbsterwärmung_1K-Mittelwerte.png (13.27 KiB) 19171 mal betrachtet
Auch hier wird recht deutlich, dass es zwei Bereiche unterhalb und oberhalb von ca. 13-14°C mit unterschiedlichen Steigungen gibt, die man gesondert betrachten sollte:
Selbsterwaermung_Taupunkt_beruecksichtigt.png
Selbsterwaermung_Taupunkt_beruecksichtigt.png (27.89 KiB) 19171 mal betrachtet
Hier sind nochmal die einzelnen Differenzen aus dem ersten Schritt zusammen mit den 1-K-Mittelwerten aufgetragen und die Ausgleichsgerade wurde einmal für die Mittelwerte < 13°C bestimmt und einmal für die Mittelwerte >13°C.

Und hierbei wird folgendes deutlich:
a) unterhalb von ca. 13 °C Medientemperatur ist die übertragene Leistung deutlich größer als oberhalb von 13°C. Interpoliert man die Ausgleichsgerade bis 8°C erhält man eine Wärmeleistung von ca. 66 W und bei 0°C eine Wärmeleistung von ca. 112W; also deutlich mehr als in meiner rechnerischen Abschätzung von vor ein paar Tagen von 29 W (bei 8°C) und 78 W (bei 0°C), auch unter Berücksichtigung, dass ich dass damals für 55kg gerechnet hatte, aber die 10 Prozent reißen es jetzt nicht raus. Dafür liegt der Schnittpunkt mit der x-Achse nahe bei der Umgebungstemperatur von ca 20-21°C

b) oberhalb von ca 13 °C liefert die Anpassung "schönere" Ergebnisse: Der Schnittpunkt mit der x-Achse, also die Temperatur bei der keine Wärme ausgetauscht wird und die Wärmeleistung verschwindet liegt bei ca. 22 °C. Das entspricht auch in etwa der Umgebungstemperatur. Die Leistungsaufnahme bei 8°C liegt extrapoliert bei 41 W (noch nicht ganz die berechneten 29W, aber schon mal näher dran, als die 66 W zuvor) und extrapolierte 64W Leistungsaufnahme bei 0°C (berechnet 78W)

Meine Vermutung zur Deutung dieses Ergebnisses ist, wie schon die Beschriftung der Diagramme andeutet, dass ich bisher die Kondensationswärme vernachlässigt habe, die bei der Bildung von Kondenswasser frei wird. Und bei angenommenen 60% relativer Luftfeuchte (im Aufstellort "Küche" nicht unplausibel) liegt der Taupunkt bei ca. 13°C. Unterhalb dieser Temperatur kondensiert Feuchtigkeit aus der Luft und latente Wärme wird frei. Das war außen am Tank natürlich auch deutlich zu sehen!
-> Da gab es mal irgendwo einen interessanten Artikel, dass man die Erwärmung von eisgekühlten Bierflaschen/-dosen durch ein Neopren-Sleeve erheblich reduzieren kann, weil keine Kondensation direkt an der Behälteraussenwand stattfindet.

Dies deute ich als die Ursache dafür, dass bei Temperaturen unterhalb des Taupunktes größere Wärmemengen pro Zeit ausgetauscht werden und somit auch größere Kühlleistungen als zunächst berechnet erforderlich sind, da die auftretende latenten Wärme nicht berücksichtigt war :Ahh

Fazit: Eine ordentliche Isolation lohnt sich vermutlich immer, weil ich nicht nur die Wärmestromdichte gegenüber der Umgebungstemperatur reduziere (lineare Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz), sondern so auch die Bildung von Kondenswasser vermeide. Und dass ist nicht nur wegen der entstehenden Feuchtigkeit anzustreben, sondern auch wegen der damit gleichsam ausgetauschten latenten Wärmemengen (die kommen unterhalb des Taupunktes einfach nochmal "on-Top" dazu).

Ich hoffe, dass ich die festgestellten Unterschiede jetzt halbwegs aufgeklärt habe. Jetzt muss ich mir erstmal Armaflex beschaffen, ein Mäntelchen für das ZKG basteln und dann nochmal schauen, wie groß der Isolationseffekt in einem vergleichbaren Experiment ist. (Alternativ könnte ich den Behälter für eine breitere Messreihe ja am Anfang mit Eiswasser füllen, ist aber vermutlich doch ein wenig aufwändig, werde ich aber mal überschlagen :puzz )

So long, Freunde der Kältemaschinen,

Gero
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#32

Beitrag von Burdy »

Werte Kollegen,

von berufeswegen beschäftige ich mich mit der Dimensionierung von Heizungs- und Solaranlagen für die Gebäude und verwende dazu die Simulationsumgebung von Polysun http://www.polysun.ch die ich früher bei meinen Kunden und als Privatdozent instruiert/unterrichtet hatte.

Ich habe mir mal den Spass erlaubt ein 120 Liter Gärfass mit Mantelkühlung zu simulieren.
Mantelkühlung Hydraulik-Schema.png
Mantelkühlung Hydraulik-Schema.png (32.81 KiB) 19038 mal betrachtet
Erklärung der Symbole:
Im Speicher (Gärtank) ist rechts eine Einschraubhülse ersichtlich. Diese ist kein Temp. Sensor sondern ein Heizstab.
Dieser Heizstab hat eine Leistung von 12 Watt (siehe weiter oben im Beitrag, Angabe von DrG) und ist mit 120 L * 0.11W= ~12W definiert.
Die Steuerung für den Heizstab simuliert den Wärmeeintrag, der durch die Vergärung in den Tank eingetragen wird.

Die kleinen Kästchen mit den vier roten Knöpfen sind Steuerungen, die entsprechende Komponenten ansteuern.
Berechnung der Schichttemperaturen: Die Software rechnet im Speicher mit jeweils 12 Schichten.

Mich hat im Speziellen die Temperaturschichtung im Gärtank interessiert, einmal ohne Kühlung und einmal mit Kühlung.

Die Leistung des Kühlgerätes wurde auf 750 W eingestellt.

[Nachtrag: Das Haus oben rechts hat keine Relevanz für die Simulation. Es stellt lediglich die Umgebungstemperatur des Speichers (Gärtank) dar.

Resultate:

Die gesamtenergie, die durch die Vergörung eingetragen wird, wurde auf (wie oben beschrieben) auf drei Tage verteilt.
Das heisst, nach den drei Tagen wird KEINE Energie mehr eingetragen (Approximation des Rechenmodells)
Die Anstelltemperatur wurde auf 19°C (Raumtemperatur) gesetzt. Die Simulation startet am 1.Januar. Am 3. Januar 24.00 Uhr stoppt der Energieeintrag des Heizstabes und die Würze kühlt langsam wieder auf Raumtemperatur ab. Deshalb hat es da in der Grafik einen Knick.

Temperature der Schichten Nr. 6 (ca in der Mitte)

Temperaturverlauf ohne Kühlung:
Gärung ohne Kühlung.png
Temperaturverlauf mit Kühlung:
Gärung mit Kühlung.png
Was in diesem Modell NICHT eingerechnet wurde ist die Durchmischung durch Konvektion.
Dazu müsste ich statt dem Heizstab in der Mitte des Tankes einen Wendel einbeuen. Dann würde die Konvektion mitgerechnet.
Dazu brauche ich aber nen halben Tag, um das exakt nachzubilden.
Mantelkühlung Hydraulik-Schema (Wendel).png
Fazit: Die gemessenen Temperaturen wir Ihr sie mit Euren Sensoren messt, scheinen gut zu stimmen.
Und spannend ist auch, dass selbst bei kleinen Tanks die Schichtung ebenfalls stattfindet:

Hier noch ein ergebnis eines 60 L Tankes (ohne Kühlung):
Gärtank 60L ohne Kühlung.png
Viel Spass beim Nachmessen und beste Grüsse
René
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#33

Beitrag von DrG »

Hallo René,

coole Simulation mit konsistenten Ergebnissen!

Insbesondere das letzte Bild kann ich empirisch bestätigen. Ich hatte bisher einen 60l-Gärbehälter von Speidel ohne integrierte Kühlung im Einsatz. Und bei ca 50l Inhalt hat sich die Temperatur in den ersten 3 Tagen (wie oben schon beschrieben) bei OG-Bieren von ca 18°C auf 22/23 °C erhöht. Das passt also so halbwegs alles zusammen.

Cool wäre es ja, wenn man eine interaktive Web-Applikation hätte, wo der Hobbybrauer sein Gärgefäß (Kunststoff, Stahl m/o Isolation) nebst Volumen und Umgebungstemperatur eingeben kann und er dann eine Prognose für den Temperaturverlauf erhält.
Im Ergebnis könnten dann noch Optionen für Kühlmöglichkeiten stehen (Verdunstungskühlung, Raumtermperatur, Eisgabe, Mantelkühlung) mit denen der Effekt der aktiven Kühlung dargestellt werden könnte.
Wenn man hierdurch für die Bedeutung der kontrollierten Gärführung wirbt, könnte vielleicht da ein oder andere Bier noch deutlich an Qualität gewinnen.

Den Effekt der Temperaturschichtungen habe ich übrigens bei meinem 60l-Behälter mit Mantelkühlung deutlich bemerkt. Nach intensivem Kühlen ist die Temperatur nochmal um 2-3 K angestiegen, nachdem ich im Tank nochmal einen Whirlpool angedreht habe.

Ich glaube auch einen Effekt der Konvektion bemerkt zu haben. Ich habe am Wochenende den Versuch zur Erwärmung durch Umgebungstemperatur und Kondensationswärme nochmal wiederholt; mit mäßigem Erfolg, weil mein Kühler den Tank mit letzter Kraft gerade mal auf 6°C kühlen konnte und dann der Taupunkt "nur" bei ca. 9° lag. Eine deutliche Unterscheidung der Erwärmung zwischen mit/ohne Kondensationswärme war daher wieder nicht möglich - Ich wollte aber am späten Abend nicht extra wegen des Versuches nochmal 20 Minuten heiß duschen gehen....
Aber bei der Auswertung habe ich bemerkt, dass der Zeitabstand zwischen zwei gleichen Temperaturdifferenzen nicht gleichmäßig oder gleichmäßig zunehmend war, sondern innerhalb der Messung deutlich kürzere oder längere Zeitintervalle auftraten, die "nicht ins lineare Muster passten". Dies führe ich auf Konvektionsströmungen im Behälter zurück, die dafür sorgen, dass das thermische Verhalten halt nicht allen diffusiv bestimmt wird, sondern der konvektive Transport erkennbare Einflüsse auf die Messung hat - was ja für die reale Anwendung auch wünschenswert ist: Schließlich wollen wir ja eigentlich brauen und nicht thermodynamische Systemparameter bestimmen....obwohl....wenn das nebenbei eh mit abfällt.....*NERD*

Beste Grüße,

Gero

PS: Ich habe mir vor kurzem noch einen 5er Pack DS18b20 bestellt, die könnte ich ja als Anlegefühler am Mantel befestigen. Das Problem ist aber die Mantelkühlung, die ja wie ein Tiefpassfilter wirkt. Aber ich könnte mir auch vorstellen, die mal außen an meiner Würzepfanne zu montieren, um die hier häufiger vagabundierende Fragestellung zu klären, ob bei Eintauchspiralkühler das Gegenstromprinzip (kaltes Wassser am Einlauf unten) oder das Konvektionsanregerprinzip (kaltes Wasser von oben) vorteilhafter (Zeit, Wasserverbrauch, Kühlleistung) sind.
Mein erster Ansatz war bisher demnächst die integrale Wärmemenge am Rücklauf des Kühlers zu messen (Volumenstrom und Temperatur) und zu schauen, wo denn die größere Wärmemenge übertragen wird und ob der Unterschied überhaupt relevant ist. Dafür brauche ich aber noch die passenden T-Stücke für den Anschluss an den Spiralkühler und den Einschraubfühler (Was ich schon wieder alles an Geld und Zeit aus reiner Neugier investieren/verschwende - ich hoffe, das sagt keiner meiner Frau....)
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#34

Beitrag von DerDerDasBierBraut »

Sehr genial René,

Deine Simulation kommt sehr dicht an die Erfahrungen heran, die ich mit meinem 60iger Gärbottich und innenliegender Spirale gesammelt habe. viewtopic.php?f=21&t=12867&p=199392

Würdest Du das 2. Beispiel bitte auch einmal für untergärige Temperaturbereiche (7-16°C) erstellen?
Bei der Konventionsbetrachtung wäre es interessant ob, bzw. wie stark, sich die Schichten durch eine abweichende vertikale Anordnung der Spirale vermeiden lassen.
Eigentlich wollte ich morgen die Kühlung in meine Edelstahl Gärbottiche bauen. Ich lasse den Kegelbohrer noch in der Kiste. Das wird hier immer spannender :Bigsmile.
DrG hat geschrieben: Cool wäre es ja, wenn man eine interaktive Web-Applikation hätte, wo der Hobbybrauer sein Gärgefäß (Kunststoff, Stahl m/o Isolation) nebst Volumen und Umgebungstemperatur eingeben kann und er dann eine Prognose für den Temperaturverlauf erhält.
Im Ergebnis könnten dann noch Optionen für Kühlmöglichkeiten stehen (Verdunstungskühlung, Raumtermperatur, Eisgabe, Mantelkühlung) mit denen der Effekt der aktiven Kühlung dargestellt werden könnte.
Genau Gero :thumbup
Und darunter einen Bestellbutton :Bigsmile
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"Nein! Was Böses!"
"Alkoholfreies Bier??? ..."
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#35

Beitrag von DrG »

Hallo Jens,

würde ich wohl gern machen, aber leider kann ich nicht nutzerfreundlich programmieren..... elementare python mit Ausgabe eines Plots geht gerade so, IDL klappt auch. Aber Webinterfaces und Datenanken *puuh*, das ist ja so gar nicht meins.....

Ich hatte ja gehofft, dass ein Versierter aus diesem Gebiet begeistert die Bananenflanke umwandelt :Greets ;-)
Burdy
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#36

Beitrag von Burdy »

Hello again,

@ Gero: Polysun hat zwar die Möglichkeit, dass man es "webisieren" kann. Muss aber vom Hersteller gegen Entgeld gemacht werden. Leider nichts für die Hobbibrauerbrieftasche. Ich kann aber anbieten, wenn es nicht überboardet Simulationen auf Anfrage auch für andere Volumina durchzuführen. Dazu bitte PN an mich. Veröffentlicht wird es dann hier...

@ Jens: habe schon versucht mit der Anstelltemperatur unter 18 Grad (Gebäudetemperatur) zu kommen. Kam aber nicht weiter, weil sich das integrierte Gebäude nicht auf so tiefe Temperaturen einstellen lässt. Werde mich aber nochmals reinhängen und bei meinen Freunden von Vela Solaris nachhaken.

Bis denne,
René

[Nachtrag]: Der Energieeintrag der Gärung ist in der Realität nicht konstant. Bei der obigen Simulation wurde der Eintrag aber linear gemacht, weil die Steuerung für den Heizstab kein Leistungsprofil zulässt. Anders bei einer Energiequelle, die ich am Wendel anschliessen muss. Wie gesagt dazu vielleicht später mehr, wenn ich Zeit habe. Muss schliesslich ja täglich mein Bier am Start noch spindeln... :Bigsmile
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#37

Beitrag von DerDerDasBierBraut »

Burdy hat geschrieben:Muss schliesslich ja täglich mein Bier am Start noch spindeln... :Bigsmile
Prioritäten setzen ist wichtig! :Bigsmile
Gespindelt wird aber nur beim Anstellen und am Ende der Gärung. Verpasse Deinem wertvollen Sud bloß keine Infektion durch tägliches Öffnen des Gräbottichs. Für sowas gibt es "iSpindel ™" :Greets
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#38

Beitrag von DrG »

Hallo,

so, ich habe es gestern durch eine ganztägige Bastelaktion geschafft, meinem ZKG ein nahezu vollständig einhüllendes Mäntelchen aus Armaflex zu basteln. Und habe dann gestern auch noch einen weiteren Versuch mit Wasser gefahren:

Füllmenge: 60l
Einfülltemperatur: ca. 9.5 °C
Isolation: Armaflex 25mm (lambda < 0.03 W/(m*K))

1. Schritt (Abkühlen mit Isolation):
Kühlung mit meinem Trockenkühler (270W nominale Kälteleistung)
von 9.4 °C auf 7.4 °C in etwas über 36 Minuten, was einer effektiven Kühlleistung von ca. 230 W entspricht. Zum Vergleich: ohne Isolation waren das nur etwa 160 W, also gut 30% weniger Effizienz.
Beim weiteren Kühlen wurde ausgehend von 7.4 °C auf 6.4 °C in etwa 34 Minuten gekühlt, also fast gleiche Zeit bei halber Temperaturdifferenz. Das liegt daran, dass der Trockenkühler auf minimal 4°C kühlt und die Wärmestromdichte in den Tank natürlich immer kleiner wird. Die effektive Kühlleistung lag hier bei rechnerischen 123 W gegenüber einer effektiven Kühlleistung ohne Isolation von etwa 90 W; also ebenfalls wieder ein Unterschied von fast 30%

2. Schritt (Selbsterwärmung mit Isolation)
Kühlung gestern spätabends bei 6.31 °C ausgeschaltet und abgewartet. Heute morgen komme ich nach einer ersten, schnellen Auswertung zu folgendem vorläufigen Ergebnis:

Erwärmung von 6.31 °C auf 7.31 °C in 3.52 h: 19.85 W Leistungsaufnahme
Erwärmung von 7.31 °C auf 8.31 °C in 3.82 h: 18.32 W Leistungsaufnahme
Erwärmung von 8.31 °C auf 9.31 °C in 3.99 h: 17.52 W Leistungsaufnahme

Das bedeutet, wenn ich in dieser Konfiguration untergärig bei 8 °C vergären möchte, muss ich ca. 18-19 W an Kühlleistung aufbringen, um die 60l Würze auf Temperatur zu halten (ohne Gärung, da kamen ja nochmal ca. 6 W hinzu), bei diesen Temperaturen könnte mein Kühler effektiv 230 W Kühlleistung anbieten, so dass man dann auf ein Verhältnis von (18 W + 6 W) / 230 ~ 11% kommt. Das Kühlaggregat muss also ca. 10% der gesamte Zeit laufen. Überschlagsrechnungen von oben wieder halbwegs. Und wenn man bedenkt, dass die gemessene Wärmeleistung bei Erwärmung gegenüber Umgebungstemperatur inklusive Kondensationswärme als Ergebnis meiner letzten Messung bei 66 W lag, sind die ca. 20 W Leistungsbedarf doch ein deutlicher Unterschied :thumbsup

Nachdem ich das jetzt alles so schön durchgespielt und berechnet habe, muss ich jetzt nur noch eine Gelegenheit zum Brauen finden :Smile

Beste Grüße,

Gero
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philipp
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#39

Beitrag von philipp »

DrG hat geschrieben: von 9.4 °C auf 7.4 °C in etwas über 36 Minuten, w
[...]
Erwärmung von 6.31 °C auf 7.31 °C in 3.52 h: 19.85 W Leistungsaufnahme
Erwärmung von 7.31 °C auf 8.31 °C in 3.82 h: 18.32 W Leistungsaufnahme
Erwärmung von 8.31 °C auf 9.31 °C in 3.99 h: 17.52 W Leistungsaufnahme
Also bei den Werten würde ich mir bei einer Hysterese von 2°C auch keine Gedanken machen, dass der Kompressor zu häufig anspringen könnte.... ;-)
Der Porter, den man in London gemeiniglich Bier zu nennen pflegt, ist unter den Malz-Getränken das vollkommenste.
http://sammlungen.ulb.uni-muenster.de/h ... ew/1817246

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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#40

Beitrag von markrickenbacher »

Hi Leute

Mittlerweile habe ich gemäss Skizze im Post Nr. 9 einen Testaufbau realisiert und auf Funktion getestet. Das scheint tatsächlich sehr gut zu funktionieren. :Pulpfiction

Nach anfänglichen Problemen mit Luft im Kühlkreislauf hat die Kühlung während 7h im mit Pumpe ein/aus durchgehend funktioniert. Die Leistung der Pumpe genügt vollends und auch die Kapazität des Ausgleichsbehälters reicht aus. Der nächste Schritt ist nun die die Realisierung der Temperaturregelung. Bin gespannt auf die ersten Tests mit Wasser im Gärtank. Werde wieder berichten.
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Gruss, Mark
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#41

Beitrag von Burdy »

@Gero: das hast Du perfekt protokolliert. Gratulation zum gelungenen Versuch!

@Jens: habe versucht in Polysun die untergärige Situation nachzubilden. Bin aber bislang noch nicht dazu gekommen es fertig zu machen. Bin grad ziemlch damit beschäftigt, mit den Asiaten eine 500L (Anstellwürze) Multi-Batch Brauanlage zu entwickeln. Nächste Woche dann bei Doemens an der Biersommelier Ausbildung. Vielleicht komm ich dann an Ostern dazu.

@Mark: Dein Aubau gefällt mir sehr gut. Bin schon auf Deinen nächsten Input gespannt, wenn im Bottich was vergärt wird...
Noch ne Frage: hast Du Wasser im Kühlkreislauf oder eine Glykolmischung?

Beste Grüsse
René

:Drink
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#42

Beitrag von markrickenbacher »

Hoi René

Bisweilen habe ich als Kühlmedium normales Wasser verwendet. Im späteren Betrieb habe ich vor destilliertes Wasser zu nutzen und dieses gegebenenfalls mit AlguMin oder sonst einem Mittel zur Algenbekämpfung zu verschneiden. Was wäre den der Vorteil einer Glykolmischung?

Gruss, Mark
Burdy
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#43

Beitrag von Burdy »

Hallo Mark,

Die Glykolmischung bringt, soweit ich mich entsinnen kann, bei Kühlvorlauf-Temperaturen von > 2 Grad keine Vorteile. Müsste aber nochmal nachschauen, wie sich die Wärmespeicherkapazität einer Glykolmischung gegenüber H2O verändert. Eventuell ist sie besser. Dies würde dann bedeuten, dass die Kühlung effizienter wäre. Ich habe bei der Glykolmischung eher an Minustemperaturen gedacht. Stichwort "Eisbock". Aber mit tiefen Temperaturen zu kühlen, brächte eh den Vorteil, dass die Kühlzeiten verkürzt würden. Bei 60L/120L wohl nicht so ein Thema. Bei 525L Gärtanks jedoch schon.

Falls Du da genauer Bescheid wissen willst, kannste mich gerne direkt kontaktieren: rene.kohli@arriva.ch

[Nachtrag: statt destilliertem Wasser, kannst Du auch abgekochtes Wasser verwenden. Wenn sich das Wasser erstmal im Kühlkreislauf befindet, wird sich da bakteriologisch nicht mehr viel bewegen. Es sei denn der Kreislauf ist offen und mit der Umgebungsluft in Kontakt. Destilliertes Wasser ist viel zu teuer für sowas. Und Bakterien würden sich im Falle im Glykol gar nicht wohlfühlen...]

Nachtrag2: habe grad dies hier gefunden. Fazit: Ein Glykolgemisch ist sowohl bei der Wärmeübertragung als auch bei der Wärmespeicherkapazität schlechter als reines Wasser. Siehe folgenden Link:
http://www.prokuehlsole.de/templates/pr ... ndex2.html

Beste Grüsse vom Sofa...
René

:thumbsup
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#44

Beitrag von philipp »

Burdy hat geschrieben: Die Glykolmischung bringt, soweit ich mich entsinnen kann, bei Kühlvorlauf-Temperaturen von > 2 Grad keine Vorteile. Müsste aber nochmal nachschauen, wie sich die Wärmespeicherkapazität einer Glykolmischung gegenüber H2O verändert. Eventuell ist sie besser.
Sie ist deutlich schlechter AFAIK. Bei Solaranlagen wird das immer wieder diskutiert - das dient das Glykol als Frostschutz. Es gibt, um kein Glykol nutzen zu müssen, sogar Anlagen, bei denen, wenn die Pumpe aus ist, das komplette Wärmemedium zurück in einen frostsicheren Vorratsbehälter fließt.

Wenn also kein Frostschutz nötig ist: Vergiss es.

(PS: Quelle: http://www.bosy-online.de/Solarfluessigkeit.htm )
PPS: Noch dazu noch höher viskos als reines Wasser.
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#45

Beitrag von Burdy »

Hallo Philipp,

Danke für Dein Kommentar, den habe ich im Nachtrag2 bereits abgehandelt.

Und Solaranlagen mit Drain Back kenne ich bestens. Die Firma Rotex war einer meiner Polysun-Kunden :thumbsup

Beste Grüsse
René
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#46

Beitrag von kochmann »

Was ist das für ein Ausgleichsbehälter oben aus VA obem am Gärtank
Der intersiert mich
habe vor mir auch so ein teil anzuschaffen
:Drink
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#47

Beitrag von chickenfarmer »

Das müsste eine Isolierflasche sein.
LG
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markrickenbacher
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#48

Beitrag von markrickenbacher »

@René und Philipp
Danke für Eure Hilfe. Ja, der Kühlkreislauf ist (fast) geschlossen (2mm Bohrung in der oben angebrachten Thermosflasche zum Druckausgleich). Somit werde ich abgekochtes Wasser ohne Glykol oder andere Zusätze als Kühlmedium verwenden.

@Kochmann
Das ist eine ganz normale Thermosflasche (Doppelwandig, Edelstahl) die kannst Du in jedem Haushaltwarengeschäft für wenig Geld kaufen. Oben im Deckel habe ich eine 3/4 Zoll Tankdurchführung eingebaut und mit Lebensmittelsilikon als zusätzliche Sicherheit abgedichtet. Meine Erfahrung zeigt, dass die nötige Ausgleichskapazität (warm/kalt) viel geringer ist als gedacht. Wenn Du was Kleineres findest, kannst Du das noch kompakter realisieren.

Die Implementierung der Steuerungssoftware schreitet gut voran. Wenn alles gut läuft kann ich am kommenden Wochenende die ersten Tests bezüglich der Kühlfunktion fahren. Ich werde berichten..

LG, Mark
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#49

Beitrag von 16erBlech »

Servus Mark,

das sieht wirklich gut aus Deine Konstruktion, Glückwunsch soweit! Ich spile auch mit dem Gedanken ein ZKG dierekt mit einem Kühler zu verbinden.

Wie ist denn die Steuerung geplant? So wie ich das verstehe hat der Kühler ja eine eigene bei der sich die Temperatur wählen lässt, soll dann die Pumpe dauernd laufen und der Kühler "sich selbst" steuern oder Kühler läuft standing und die Pumpe wird ein und ausgeschaltet? Oder beide gleichzeitig steuern?

Viele Grüße Michael
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markrickenbacher
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Re: 120 Liter Gärtank kühlen mit Aquariumkühler

#50

Beitrag von markrickenbacher »

Hoi Michael

Bezüglich der Steuerung gibt es diverse Varianten. In den Sinn kommen mir folgende:
  • 1.Hailea Kühler und Pumpe laufen immer und Du stellt genau die Temperatur ein, welche das Kühlwasser und dadurch auch die Würze im Gärtank (vielleicht)haben soll. Kann funktionieren, muss aber nicht. Ich denke eine präzise Temperaturführung ist so nicht möglich
  • 2.Du kaufst Dir bei Aliexpress für 10 USD einen STC-1000 Temperaturregler. Den Sensorkopf führst Du via Einschraubhülse ins Gärtankzentrum. Den Hailea stellst Du auf sehr kalt (z.B.5°C) Du lässt via STC-1000 die Pumpe laufen, wenn das Gärmedium wärmer als die eingestellte Temperatur ist.
  • 3.Variante 2 kannst Du für heizen und kühlen verwenden, wenn Du die Pumpe an Beide Kontakte (heizen und kühlen) hängst. Am Kontakt „kühlen“ kannst Du dann den Hailea anhängen und am Kontakt „heizen“ z.B. eine Rohrbegleitheizung, welche Du dann um den Kühlmantel des Gärtanks wickelst. Hier musst Du allerdings prüfen ob der Haile bei PowerOn ohne manuellen Start mit der Kühlfunktion beginnt
  • 4.Du baust Dir einen eigenen Dreipunkteregler mit z.B. Arduino oder Pi und PT100 oder DS18B20. Hier bist Du dann frei, was evtl. Gärprogramme angeht. Du könntest dann sogar die iSpindel koppeln und spezifische Gärprogramme laufen lassen
Ich für meinen Teil realisiere die Variante 4 via SPS. Allerdings halte ich den Ball flach und baue nur mal die Dreipunkteregelung auf. Die Gärführung mit verschiedenen Zieltemperaturen je nach Gärstadium ist für mich im Moment nicht relevant.

STC-1000:
https://de.aliexpress.com/item/AC-220V- ... 8f7ba1579b



Gruss, Mark
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