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ワイナリーの収穫ピーク時における発酵タンク冷却能力の算定
収穫のピーク時にワイナリーで発生する冷却の問題は、通常、特別に負荷の大きいタンクが1基あることが原因ではありません。温度の高い果醪が醸造所に搬入され、発酵が最も活発な段階に達し、さらに次の搬入までに別の仕込みの温度を下げる必要が生じるなど、通常の冷却需要が同時に重なることが原因です。先週は余裕をもって運転できていたシステムでも、設定温度を維持するために運転担当者が対応に追われることがあります。
そのため、発酵タンクの冷却能力を算定する際は、容器容量に標準的な冷凍能力の目安を掛けるだけでは不十分です。プロジェクト担当者は、同時に発生する熱負荷を根拠に基づいて見積もり、さらに収穫期の条件下でタンクジャケット、グリコールの分配系統、チラーが実際にその熱を除去できるかを確認する必要があります。
総タンク容量ではなく、収穫期で最も負荷の高い時間帯を基準にする
タンクが10基あるワイナリーでも、同じ条件で発酵のピークを迎える10基すべてに対応する冷却能力が必要とは限りません。一方、冷却が必要になるのはタンクの半数だけと想定すると、天候や収穫判断によって果実の搬入時期が集中した場合にリスクとなることがあります。
現実的に想定される収穫期のうち、最も負荷の高い期間について、時間単位の運転スケジュールを作成します。各タンクについて、使用容量、搬入される果醪の温度、目標温度、充填時間、発酵段階、冷却完了の期限を記録します。同じ冷却設備を使用する果醪用熱交換器、低温安定化設備、冷蔵貯蔵設備なども、同時に稼働する場合は含めます。
重要なのは、接続負荷と同時負荷を区別することです。接続負荷はシステムが供給し得るすべての負荷を示し、同時負荷は同じ時点で供給しなければならない負荷を示します。恣意的な割合を選ぶのではなく、生産スケジュールに基づいて負荷の重なりを判断してください。
搬入が集中するシナリオも検証します。冷却開始を安全に負荷の低い時間帯へ移せる場合、スケジュール調整によって冷凍設備への追加投資を避けられることがあります。冷却を遅らせることでワインの品質やタンクの回転に支障が出る場合、その需要は設計ピークに含める必要があります。
発酵タンクの冷却需要を要素ごとに算定する
熱源を分けて考えることで、前提条件を確認しやすくなり、単一の「リットル当たりワット数」によって仕込みごとの重要な違いが見えなくなることを防げます。
搬入時の果醪温度と冷却時間
顕熱冷却負荷は次の式で求められます。
Q = m × cp × ΔT ÷ t
ここで、Qは冷却能力（kW）、mは製品質量（kg）、cpは比熱（kJ/kg·K）、ΔTは必要な温度低下量、tは冷却時間（秒）です。詳細設計では、製品固有の密度および比熱の値を使用してください。
概算例として、果醪10,000 kg、比熱4.0 kJ/kg·K、12時間で12°C冷却する条件を想定します。この場合、平均顕熱負荷は約11.1 kWです。許容冷却時間を半分にすると、この負荷は2倍になります。
この計算でわかるのは必要な熱除去量であり、ジャケットで実現できることの証明ではありません。搬入した果醪を迅速に冷却する必要がある場合は、タンクジャケットだけに頼るより、適切に選定した上流側の熱交換器を用いる方が実用的な場合があります。
発酵中に発生する熱
発酵熱は、初期の糖濃度だけでなく、糖の消費速度によって決まります。発酵全体の総エネルギーを推定し、発酵期間全体で割る方法では、最も負荷の高い時間帯の熱負荷を大幅に過小評価することがあります。
予備的な推定には、次の関係式が役立ちます。
Qfermentation = 1時間当たりの糖消費量 × 1 kg当たりの発熱量 ÷ 3,600
糖消費量をkg/h、発熱量をkJ/kgで表すと、結果はkWになります。例として、10,000リットルの仕込みで糖を2 g/L/hの速度で消費する場合、1時間当たりの処理量は20 kgです。発熱量を550 kJ/kgと仮定すると、約3.1 kWとなります。
これらは計算上の仮定であり、すべてのワイナリーに共通する設計値ではありません。ピーク時の消費速度と発熱量の前提は、ワイン醸造チーム、発酵記録、またはプロセス設計者に確認してください。酵母の選定、温度、栄養管理、ワインのスタイルによって、負荷の推移は大きく変わることがあります。
周囲環境および補助設備からの熱負荷
タンク壁、配管、継手から侵入する熱に加え、関連するポンプの発熱や、共用プロセス設備のその他の負荷も加算します。日射にさらされる屋外タンクと、空調管理された醸造室内の断熱タンクとでは、評価方法が異なります。断熱材は熱の侵入を抑えますが、発酵熱を除去するものではありません。
ピーク負荷の計算例
仮に、収穫期のある時間帯に10,000リットルの発酵中の仕込みが4つあり、さらに上記の冷却が必要な仕込みが2つあるとします。新たな仕込みでは、まだ発酵熱はほとんど発生していないものとします。
搬入された仕込みもすでに発酵中であれば、その発酵熱を加算します。そのうえで、不確実性と合意済みの増設に対する余裕を明示的に設定してください。保守的な前提、過大な負荷重複の見込み、大きな最終安全率を、個別の根拠を示さずに重ねて適用することは避けてください。
何より重要なのは、実際の運転条件における正味の冷却能力を指定することです。チラーの公称能力は、収穫期に遭遇する条件より流体温度が高い、または周囲温度が低い条件を基準としている場合があります。
大型チラーを発注する前に熱伝達経路を確認する
冷凍能力は、冷却システムを構成する要素の一つにすぎません。ワインからタンク壁とジャケットを経て循環グリコールへ熱を伝え、冷凍設備へ戻す必要があります。
各発酵タンクについて、ジャケット面積、ジャケット回路の構成、許容圧力、推奨流量、指定する製品温度およびグリコール温度における冷却性能を確認してください。最低使用液位での性能も確認します。液面より上にあるジャケット面積は、製品の冷却にはほとんど寄与しません。
ジャケットの予備的な確認には、Q = U × A × ΔTlmを用います。Uは総括熱伝達係数、Aは実際に液に接している有効面積、ΔTlmは対数平均温度差です。供給元の計算は、実際の運転条件を反映したものにしてください。赤ワインの果帽形成、自然対流の制限、製品温度の勾配などにより、一般的な係数では信頼性が低くなることがあります。
冷却開始時だけでなく、冷却完了間際の性能も確認してください。ワインの温度が目標温度に近づくにつれて、熱伝達を促す温度差は小さくなります。温度の高い果醪から速やかに熱を除去できるジャケットでも、最後の数度の冷却には苦労する場合があります。
同じ同時需要に基づいてグリコール循環量を設定する
必要循環量は、ṁ = Q ÷ (cp × ΔT)で求められます。負荷40 kW、グリコール混合液の比熱を3.7 kJ/kg·K、供給と戻りの温度差を5°Cと仮定すると、質量流量は約2.16 kg/sです。選定した混合液の密度を使って体積流量に換算してください。
凍結防止の要件と供給元の推奨に照らして、グリコール濃度を確認してください。濃度が高すぎると粘度が上がり、熱伝達性能が低下することがあります。ポンプの選定では、総流量だけでなく、ヘッダー、バルブ、ストレーナー、ジャケット、最も負荷の高い回路を通過する際の圧力損失を含める必要があります。
分岐回路の適切なバランス調整と適切に選定した制御弁によって、近くのタンクに流量が偏るのを防げます。バッファータンクは運転の頻繁な発停を抑え、短時間の負荷変動への対応を支援できますが、冷凍能力が何時間も不足する状態を補うことはできません。
計算結果を購入仕様書と試運転仕様に反映する
タンクおよび冷凍設備の供給元には、同じ負荷スケジュールに基づいて検討するよう求めてください。使用容量、目標温度、冷却時間、設置場所の周囲温度条件、グリコールの物性、ジャケットの圧力制限、同時運転のケースを明記します。タンク温度の測定方法と、温度の不均一を確認する方法も定めてください。
Shandong Weike Machinery Equipment Co.,Ltdは、ステンレス製ワインタンクやその他のプロセス容器を製造しており、設計、設置、試運転調整のサービスを提供しています。幅広い製品には、冷却ジャケット、RTDプローブ、CIP対応機能を備えたステンレス製ミルク混合タンクも含まれます。これらの機能は温度制御に関する検討に役立ちますが、用途に応じた技術的検討を行わずに、乳製品用混合設備をワイン発酵に適した設備とみなすべきではありません。
受け入れ前に、代表的な負荷条件で、実際の流量、グリコールの供給温度と戻り温度、センサーの校正、警報動作、同時冷却性能を確認してください。能力が制限された場合の緊急時の優先順位についても合意しておきます。
適切な容量のシステムとは、単に予算内で最も大型のチラーを選ぶことではありません。ワイナリーで現実的に想定される最も負荷の高いスケジュールに対応し、収穫期にやり直しの余裕がほとんどない状況でも、醸造室の担当者が安定して制御できる、連携の取れた冷却システムです。