葡萄酒冷冻降温系统乙二醇载冷剂工艺设计

杨寿发，刘 融，于晋泽，李国华

（国家农产品保鲜工程技术研究中心，天津300384）

葡萄酒是一种营养丰富的低酒精度发酵饮料，历来深受各类消费群体的钟爱。但葡萄酒的不稳定性严重影响酒的质量。直接影响葡萄酒的稳定性并使酒的风味发生异常变化的是酒中大量的胶体物质、酒石酸盐类物质及多酚类物质。

在温度相差悬殊的环境中，葡萄酒中会形成不易觉察的细粒状物，致使澄清的酒液发生雾浊、浑浊甚至出现沉淀。冷冻降温处理是将葡萄汁温度降至10℃以下，以利于葡萄汁中悬浮物质的沉降。降温是葡萄酒稳定与质量改良的重要方法。

葡萄酒经过冷冻处理，其感官质量明显得到改善，酸涩味降低，葡萄酒变得更加圆润，同时葡萄酒的稳定性大大提高。所以长久以来，葡萄酒降温设备的研究是重要的研究课题。

1 低温乙二醇载冷剂葡萄酒冷冻降温系统概述

1.1 系统工作原理

由R22制冷系统提供冷源，通过制冷系统的不锈钢钎焊式板式换热器将乙二醇水溶液载冷剂降温至-6～-8℃；再由载冷剂循环泵将低温载冷剂输送至葡萄酒老化罐冷却盘管，对老化罐内的葡萄酒进行冷却；如此循环往复，直至将老化罐内的葡萄酒降温至-5℃，冷却工作结束进入保温循环状态。此时由温度控制器根据酒温设定值，控制老化罐冷却盘管载冷剂进口电磁阀及回水电磁阀的开闭，将罐内酒温保持在规定范围内。

载冷剂系统采用开式循环工作方式，系统安装1台载冷剂循环泵及1台乙二醇开式保温水箱。乙二醇水溶液由开式水箱通过Y型过滤器进入循环泵吸入口；经循环泵增压后输送至板式换热器降温；低温乙二醇水溶液再进入老化罐冷却盘管，冷却葡萄酒后回到水箱。

1.2 低温乙二醇载冷剂葡萄酒冷冻降温系统与采用氟利昂制冷剂直接对葡萄酒进行冷却系统的对比

本技术主要特点是采用低温乙二醇载冷剂间接对葡萄酒进行工艺冷却，载冷剂系统采用开式循环。与采用氟利昂制冷剂直接对葡萄酒进行冷却的系统比较有如下优势：葡萄酒生产工艺流程保持不变，仅利用原有的老化罐，对葡萄酒进行低温冷却。冷却过程中葡萄酒与冷却设备不发生接触，不需增加清洗和灭菌工序，确保葡萄酒生产质量。由于采用载冷剂间接冷却葡萄酒，载冷剂温度稳定在-6～-8℃范围内，可减少葡萄酒在冷却工程中发生冻结的程度，比其他冷却方式优势明显。由于采用开式水箱，增加了载冷剂系统的蓄冷量和热稳定性。

2 低温乙二醇载冷剂葡萄酒冷冻降温系统的设计计算

葡萄酒的冷冻处理过程，是通过冷冻机组和冷冻罐来实现的。通过冷冻处理，可以去除葡萄酒的一部分酒石酸盐和色素等物质，使葡萄酒更加稳定并改善葡萄酒的感官质量。在冷冻处理过程中，首先是使酒温尽快达到冷冻温度（约-5℃），而酒温降低的速度与待冷冻酒的数量和酒温、冷冻机组的制冷量、冷冻罐的结构等有关。相同的冷冻设备条件下，酒温降低的速度由待冷冻酒的数量与酒温决定。葡萄酒生产过程中发酵温度的控制和葡萄酒的冷处理，均需要提供冷量。因此冷负荷的确定和冷却方式的选择，直接影响到葡萄酒的生产。温度应越低越好，可降到接近葡萄酒冰点，保持在冰点以上0.5～1.0℃。

2.1 需用冷量计算

2.1.1 发酵需用冷量的计算

发酵需用冷量可按下式计算：

式中：Q—需用冷量，kW；

Vs—发酵液体积流量，m3/s；

C—发酵液比热，kJ/kg℃；

P—发酵液密度，kg/m3；

tm—发酵时的最高温度，℃；

tg—发酵时许可的最高极限温度，℃；

发酵时许可的极限温度tg：干白葡萄酒tg=22℃；干红葡萄酒tg=32℃。

发酵时的最高温度tm可按下式计算：

式中：t0—发酵初始温度，℃；

△t—发酵引起的温度升高值，℃；

△t可按发酵过程中每生成1度酒精使发酵液温度升高1.3℃计算。

例如，发酵后的酒度为12°，则：△t=12×1.3=15.6℃。

2.1.2 冷处理需用冷量计算

冷处理包括待发酵葡萄汁的低温澄清和葡萄酒的冷稳定处理。

需用冷量可按下式计算：

式中：Q—冷处理需用冷量，kW；

Vs—葡萄汁或葡萄酒的体积流量，m3/s；

C—葡萄汁或葡萄酒的比热，kJ/kg℃；

P—葡萄汁或葡萄酒的密度，kg/m3；

t0—初始温度，℃；

th—冷处理温度，℃。

冷处理温度：低温澄清th=5℃；稳定处理th=-（酒度-1/2）℃（即葡萄酒的冰点）。

2.2 降温设备各系统主要技术参数

降温设备各系统主要技术参数见表1、2、3。

表1 制冷系统主要技术参数

表2 冷却系统主要技术参数

表3 载冷剂系统主要技术参数

2.2.1 制冷系统设计主要技术参数

2.2.2 冷却系统设计主要技术参数

2.2.3 载冷剂系统主要设计技术参数

3 低温乙二醇载冷剂葡萄酒冷冻降温系统的工艺设计

3.1 冷冻降温系统组成及工艺

低温工艺冷却系统由R22制冷系统、乙二醇载冷剂系统（老化冷冻罐：内置冷冻盘管）、自动控制系统3部分组成。

3.2 制冷设备选型

根据制冷负荷计算，制冷系统选用风冷半封闭制冷压缩冷凝机组，机组主机采用德国Bitzer半封闭制冷压缩机。机组配有气液分离器、干燥过滤器、电磁阀等辅机设备。机组设有高压保护、低压保护、电机超温保护等多种保护方式，确保制冷机组的安全可靠运行。机组具有运转平稳、噪音低、制冷效率高、节能效果显著的优点。为确保机组在寒冷季节的可靠工作，机组设有冷凝压力调节控制系统。制冷机组在名义工况下制冷量能满足设计计算要求。冷凝器选用高效V型风冷冷凝器，安装在室外。膨胀阀选配1只丹麦Danfoss公司生产的TDEX8外平衡热力膨胀阀。制冷系统换热器选用进口阿法拉伐公司生产的AC-70X-66H型不锈钢钎焊式板式换热器，用于载冷剂冷却。该换热器体积小，换热效率高，性能稳定。

3.3 载冷剂系统选型

载冷剂系统采用乙二醇水溶液闭式循环系统，冷却介质为35%乙二醇水溶液。载冷剂系统由载冷剂循环泵、不锈钢钎焊式板式换热器、老化罐盘管、乙二醇开式保温水箱及管路阀门组成。

载冷剂系统循环泵选配ISG40-125（I）型立式离心泵，流量12.5m3/h，扬程20m，功率1.5kW。

在每台老化罐制冷剂进液口设供水电磁阀及回水电磁阀，用于葡萄酒的保温冷却过程，防止葡萄酒冻结。

载冷剂系统管路采用PN1.6MpaPP-R塑铝复合稳态管，管路连接方式为热熔焊接。所有管件及阀门均采用PP-R专用系列产品。管路保温采用B2级橡塑保温管，保温厚度25mm；设备保温采用B2级橡塑保温板，厚度30mm。

3.4 电气自动控制系统

电气自动控制系统由制冷系统电气控制柜和老化罐酒温控制箱及电气配线组成。

制冷系统控制柜负责载冷剂循环泵的启动/运转/停止，同时由意大利dixell公司生产的XR03C型电子控制器，根据设定的运行参数，自动控制制冷系统自动运行。控制系统可显示乙二醇载冷剂的温度及控制参数设定值。控制系统可实现制冷压缩机的YY启动，可根据冷凝压力设定值，自动调节风冷冷凝器风机电机的工作台数。控制系统具有低温报警、高温报警、低压保护、高压保护、压缩机耐氟电机温度保护及电机热保护等多重保护功能。

老化罐酒温控制箱安装意大利dixell公司生产的XR30C型电子控制器，根据设定的温度参数，自动控制老化罐的供、回水电磁阀及搅拌器电机的工作，将老化罐内的葡萄酒温度控制在设定范围内。降温后的葡萄酒在老化罐中贮藏至酒石酸氢钾下降到0.7g/L作为终点。

4 实际应用

本系统在黑龙江省牡丹江林场自建葡萄酒酿酒厂通过技术改造方式投入运行，与原系统相比，温度控制精度与原系统相比得到了极大的提高，并且自动化程度高，尤其是在短期停电期间，系统所蓄冷量即可满足生产要求，不会造成停产。由于温度控制精度的提高，所产葡萄酒的品质也比以前有所提升，并且得到了消费者的认可。提高了葡萄酒的销量。所以，本系统的采用，也给企业带来了经济效益的提升。

5 结论

葡萄酒质量的好坏与设备有着密切的关系，冷冻降温使葡萄酒达到一定澄清度以免酒石结晶沉淀，是提高葡萄酒稳定性的工艺方法。该套降温工艺设备具有冷冻处理时间短，能量消耗低，降温迅速，并且可以提升葡萄酒风味以及可连续进行设备操作的优点。在较短时间内达到冷处理的温度，葡萄酒出罐保持其最低温度达到了较好效果。由于葡萄酒口味得到了消费者的认可，所产葡萄酒销量的提升，也能给企业带来经济效益，在葡萄酒生产的工艺冷却中值得推广。

［1］尉迟斌.实用制冷与空调工程手册［M］.北京：机械工业出版社，2001.

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［4］李华.现代葡萄酒工艺学［M］.西安：陕西人民出版社，1992.

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