Afdrukken

In het januari/februarinummer in 2012 van Zymurgy magazine staat een artikel over berekeningen aan dompelkoelers. De auteur leidt een aantal formules af waarmee je kunt voorspellen hoe snel je een batch bier kunt afkoelen aan de hand van de lengte van de koeler, de diameter van de koeler en de temperatuur en de stroomsnelheid van het koelwater. Helaas richt de auteur zich alleen op de snelheid van koelen en niet op andere zaken die van belang zijn voor de hobbybrouwer. Ik noem twee belangrijke: het waterverbruik en het totale volume van de koeler. Tevens vergelijkt de auteur niet de dompelkoeler met de tegenstroomkoeler.

Het belang van het waterverbruik is evident. Drinkwater is weliswaar goedkoop, maar daarom niet waardeloos. Het is zonde om goed drinkwater te verspillen aan zoiets laagwaardigs als koelen. In onze stad is de rioolbelasting bovendien gekoppeld aan het waterverbruik, dus waterbesparing leidt niet alleen tot lagere waterrekeningen, maar ook tot een lagere rioolbelasting. Gebruik je opgepompt grondwater, dan bespaar je op elekctriciteit.

In dit artikel ga ik in op drie belangrijke zaken: het volume dat een dompelkoeler inneemt, het waterverbruik van koelers en het verschil tussen dompelkoelers en tegenstroomkoelers in waterverbruik en koeltijd.

Tijdwinst?

Het volume van de koeler is voor hobbybrouwers een belangrijke, maar in het Zymurgy artikel genegeerde parameter. Hoe meer volume de koeler in gebruik neemt, hoe minder wort je in je pan kunt maken. In het artikel wordt aangegeven dat een zo lang mogelijke koeler met een zo groot mogelijke buisdiameter het snelst koelt. Tja, dat is geen revolutionaire uitkomst te noemen. Wat de auteur er niet bijvertelt is dat een twee keer zo dikke buis vier keer zoveel volume in je kookketel inneemt. Dat betekent weer dat je minder bier kunt maken in je pan en dat je vaker moet brouwen. De tijdwinst die je maakt bij het koelen verlies je zomaar omdat je vaker moet brouwen.

Hieronder eerst twee grafieken die ook door de auteur zijn gemaakt. Ze laten zien hoe snel een batch bier van 25 liter is afgekoeld bij een koeler van 10 meter lang met verschillende buisdiameters en bij verschillende stroomsnelheden van het koelwater. Het koelwater is in dit voorbeeld 15°C. Er wordt gekoeld van 100°C naar 18°C. Elke lijn geeft een andere buisdiameter in mm weer.

Figuur 1: koeltijd bij verschillende buisdikten (mm) en stroomsnelheden van het koelwater (l/min).

Figuur 2: verbruikt water bij verschillende buisdikten (mm) en stroomsnelheden van het koelwater (l/min).

Niet verrassend: hoe dikker de buis, hoe sneller je koelt en hoe minder water je nodig hebt om te koelen. Maar een 10 meter lange buis met een diameter van 30 mm neemt een volume in van iets meer dan 7 liter. Met een diameter van 9 mm neemt de koeler 640 ml in beslag. Dat scheelt dus nogal.

Overigens zie je in figuur 1 dat het weinig zin heeft om het water sneller te laten lopen dan 10 liter per minuut. De koelsnelheid neemt boven die snelheid nauwelijks af, terwijl het waterverbruik wel lineair toeneemt.

 Vast volume

Hoe zien bovenstaande plaatjes eruit als we uitgaan van een vast volume. Stel dat ik in mijn kookketel van 30 liter altijd 25 liter bier wil kunnen brouwen. Als ik 25 liter koud wort in mijn ketel heb, heb ik aan het eind van het koken 4% volume meer, omdat water van 100°C 4% meer volume inneemt dan water van 20°C. 4% meer betekent dat mijn volume aan het eind van het koken 26 liter is. Wil mijn kookketel niet overstromen als ik de koeler erin zet, dan mag deze koeler niet meer dan 4 liter in beslag nemen. Een beetje marge is fijn om geklieder te voorkomen, dus ik wil een koeler die maximaal 3 liter in beslag neemt. In onderstaande tabel zie je wat dat bij de verschillende buisdiameters betekent voor de lengte van de buis:

 

Bereken ik opnieuw de koelsnelheid en het waterverbruik, maar dan met de buislengte bij elke buisdiameter uit deze tabel, dan zien de grafieken van de koelsnelheid en het waterverbruik er heel anders uit.

Figuur 3: koeltijd bij verschillende buisdikten (mm) en stroomsnelheden van het koelwater (l/min) maar bij een vast koelervolume van 3 liter.

Figuur 4: verbruikt water bij verschillende buisdikten (mm) en stroomsnelheden van het koelwater (l/min) maar bij een vast koelervolume van 3 liter.

Uit figuur 3 en 4 blijkt dat een dunnere, langere buis voordeliger is dan een dikkere, kortere buis. En ook dat is logisch, omdat er per volume koelwater een groter contactoppervlak is tussen wort en koelbuis.

Bewegen

Overigens gaat het koelen een heel stuk sneller als je zorgt dat het wort langs de koeler beweegt. Bij een stilstaande koeler in stilstaand wort is de koelsnelheid grotendeels afhankelijk van beweging van wort langs de koeler door warmteverschillen. Rondom de koeler vormt zich een koelere laag, waardoor de koeling wordt geremd. Beweeg je de koeler heen en weer of pomp je het wort rond in de kookketel, dan voorkom je dat. De koeltijd kan hierdoor gemakkelijk worden gehalveerd. Deze koeling is niet eenvoudig uit te rekenen, omdat iedereen de koeler of het wort met een andere snelheid beweegt en ook de vorm van de koeler en kookketel een rol spelen.

Tegenstroomkoeler

Je kunt natuurlijk ook zelf een tegenstroomkoeler zelf maken van koperbuis met daaromheen een slang (zie foto). In de koperbuis stroomt het wort in de ene richting en tussen de buis en de slang stroomt het koelwater in de tegenovergestelde richting. Tegenstroomkoelers zijn effectief en zuiniger in watergebruik.

 

Foto 1: zelf gebouwde tegenstroomkoeler

In een post op Homebrew Digest vind je een aantal formules om berekeningen uit te voeren aan dergelijke tegenstroomkoelers. Hieronder een paar grafieken van tegenstroomkoelers van verschillende lengtes. In figuur 5 zie je de koeltijd bij verschillende debieten van het koelwater en de lengte van de buis. Let op dat de koeltijd natuurlijk direct samenhangt met de stroomsnelheid van het wort door de tegenstroomkoeler. Hoe sneller dit wort stroomt, des te korter de koeltijd, maar ook des te hoger de uitstroomtemperatuur. Bij de berekeningen voor deze grafiek is net als bij figuren 1 t/m 4 uitgegaan van wort van 100°C dat afgekoeld wordt naar 18°C met koelwater van 15°C. Figuur 6 laat zien hoeveel koelwater er nodig is.

 

Figuur 5: koeltijd bij verschillende debieten en buislengtes.

Figuur 6: hoeveelheid benodigd koelwater bij verschillende debieten en buislengtes.

Duidelijk te zien is dat de lengte van de tegenstroomkoeler een groot verschil maakt voor de hoeveelheid koelwater. De koeltijd neemt niet veel meer af bij buislengtes boven de 15 meter. Uit de grafieken kun je opmaken dat het de moeite loont om een tegenstroomkoeler te maken van minimaal 15 meter lang.

Vergelijking tegenstroomkoeler en dompelkoeler

Natuurlijk wil je weten welk type koeler nou het beste werkt. Met welk type koel je het snelst en ben je de minste hoeveelheid koelwater kwijt? Hieronder zie je twee grafieken waarin een dompelkoeler van 12 mm koperbuis wordt vergeleken met een tegenstroomkoeler. Er zijn twee varianten: koelers van 10 meter en koelers van 15 meter. Figuur 7 geeft de koeltijd en figuur 8 de hoeveelheid koelwater.

Figuur 7: koeltijd van dompelkoelers en tegenstroomkoelers vergeleken

Figuur 8: waterverbruik van dompelkoelers en tegenstroomkoelers vergeleken

Vanaf een koelwaterstroomsnelheid van 10 l/min maakt het geen verschil in koeltijd of je een dompelkoeler of een tegenstroomkoeler gebruikt. Onder die stroomsnelheid is een tegenstroomkoeler sneller. Het verschil wordt groter naarmate de stroomsnelheid kleiner wordt. Het waterverbruik laat een vergelijkbaar verschil zien.

Houd overigens in gedachten dat de berekeningen van de dompelkoeler zijn gedaan voor een stilstaande dompelkoeler. Ga je de dompelkoeler bewegen, dan koelt hij effectiever en dus sneller en met minder koelwaterverbruik.

Conclusie

Houd bij het ontwerp van je dompelkoeler rekening met het volume dat die koeler in gebruik neemt. Kies vervolgens een zo klein mogelijke buisdiameter bij een zo groot mogelijke lengte. Als je zelf een koeler maakt, is een koperbuis van 12 mm waarschijnlijk het handigst, omdat aan dit materiaal gemakkelijk te komen is bij de bouwmarkt. Koper is bovendien gemakkelijk te bewerken en koper geleidt de warmte heel goed. Overigens is deze kennis ook prima te gebruiken bij het ontwerpen van je HERMS.

De keuze tussen een tegenstroomkoeler en een dompelkoeler valt licht in het voordeel uit van een tegenstroomkoeler voor wat betreft koelsnelheid en waterverbruik, maar het verschil is zeker niet spectaculair. Als je de dompelkoeler continu beweegt tijdens het koelen of het wort roert of rondpompt, dan zal de dompelkoeler sneller en zuiniger zijn (bij gelijke buislengte).