在2000年“啤酒科技”*期上，曾經發表過題目為“啤酒錐形發酵罐溫度控制中的幾個問題”—文，之后在有關雜志上的有些文章也談到這方面的問題，覺得有必要再討論一下。本文準備討論以下幾個方面的問題：
1.溫度的定義和溫度測量的基本準則
2.溫度與熱量
3.在啤酒發酵工藝流程中，溫度的作用和控制的實質
4.在啤酒發酵工藝流程中的溫度控制
5.評價溫度控制系統的幾奌看法
一．溫度的定義和溫度測量的基本準則
溫度是與人類日常生活和生產實踐活動zui為密切的物理量之一，在我們的四周和本身到處都與溫度有著密切關系。但是并非每個人對溫度的定義和溫度測量都理解得很清楚，即使是從事溫度測量和控制工程的某些技術人員也不例外。這主要是由于人們很容易將溫度和熱的概念相混淆，有時還與人的主觀直覺有關。在所有基本物理量中，溫度是zui難理解和zui不易測準的物理量。
zui通俗的溫度概念將溫度說成是表征物體冷熱程度的物理量。但這種表述不嚴謹，容易產生錯覺。例如，當我們在室內去觸摸處于同一溫度條件下的木塊、泡沫塑料和金屬棒時，就會感到稍有差別，顯然我們不能由此而判定它們的溫度不相同。其中的道理并不簡單，它不僅與物體的性質、體溫與室溫有關，而且與人產生熱感覺的方式有關。因此，要正確地理解物體溫度的含義，必須對溫度的概念做一科學的定義。
溫度的科學定義出自于熱力學第零定律，這里不一一表述，可以通俗地認為：溫度就是表征物體熱平衡狀態的狀態參數，當兩個處于熱平衡狀態的物體間相接觸而無熱量交換時，此兩物體具有相同的溫度；當兩個處于熱平衡狀態的物體相接觸有熱量交換時，此兩物體具有不同的溫度，且熱量由溫度較高的物體流向較低的物體。這里有兩奌必須加以說明：一是物體的熱平衡狀態指的是物體內部無熱量交換處于熱平衡；二是物體間無熱量交換時，此兩物體間熱平衡。反過來講熱平衡，其目的在于加深印象，理想的熱平衡實際上并不存在，只能做到接近熱平衡，這就是溫度這個物理量zui難理解和zui不易測準的原因所在。
我們用溫度計去測量某物體的溫度，并非只要將溫度計的感溫部分接觸被測物體，溫度計的顯示值就是被測物體的真實溫度。溫度計顯示的實際上是溫度計感溫部分的溫度，只有當溫度計感溫部分與被測物體間無熱量交換即熱平衡時，才是被測物體的溫度。因此，在使用溫度計測量物體溫度時，盡量減少溫度計感溫部分與被測物體間的熱流，并控制在允許范圍內，是溫度測量的基本準則。單位時間內通過感溫部分的熱量即熱流愈大，溫度測量的誤差也就愈大；反之，誤差就愈小。為此，在使用溫度計測量溫度時，應當有—定的插入深度，以便將外界通過溫度計桿的熱流在到達感溫部分前進行分流，使通過感溫部分的熱流減到允許范圍內，若想進一步減少誤差，還可以用絕熱材料將整個溫度計包裹起來，以阻隔周邊環境溫度變化對溫度測量的影響。jwZBWt)5
還有一點必須強調：被測物體的溫度實際上不可能是均勻的，溫度測量點的溫度僅代表物體這一部分的溫度。
二,溫度與熱量
溫度是表征物體宏觀熱狀態的狀態參數，從微觀來看，溫度是物體內分子熱運動激烈程度的表征，熱量的輸入或輸出，可加劇或減緩物體內分子熱運動激烈程度，物體的溫度也將隨之升高或降低。可見，溫度是描述物體熱狀態，而熱量是物體狀態變化過程中與外界交換能量的一種形式。溫度與物體的熱狀態有關，而熱量卻與物體狀態變化的過程有關。兩者間有，但卻是兩種概念，溫度是基本物理量，熱量是能量的一種形式，其間可用熱力學*定律起來。
具體到物體的溫度控制問題，而不是討論熱力機械，不考慮物體與外界機械能的交換。對一定質量的物體而言，物體溫度的升高或降低，完全取決于與外界間熱交換的熱流方向和大小。要提高溫度就輸入熱量，降低溫度就輸出熱量，要保持溫度不變需要完全絕熱或者使輸入和輸出的熱量保持平衡。控制溫度，實際上就是選擇一種可以控制的傳熱渠道，使被控對象的輸入或輸出的熱量與可控傳熱渠道的輸出或輸入熱量保持平衡。所以，控制溫度實質上就是控制可控傳熱渠道的熱交換量。所謂可控傳熱渠道就是日常所說的換熱器、加熱器、致冷器等，發酵罐外壁上的冷卻夾套即冷帶就是一種換熱器。發酵罐外壁上安裝的溫度計是用來控制冷卻夾套內致冷介質帶走的熱量，它顯示的是測量點處發酵液的溫度，整個罐內的溫度分布與許多因素有關，在整個發酵工藝流程中的不同階段也不一樣，下面我們將會專門來討論這個問題。-
三,在啤酒發酵工藝流程中，溫度的作用和控制溫度的實質
在啤酒廠的發酵車間，無論是釀造師或是操作工，對發酵罐內發酵液的溫度zui為關注。尤其對操作工而言，工藝單上寫的基本上就是溫度和時間，這樣很容易產生一種錯覺：似乎啤酒發酵工藝流程就是根據溫度和時間來完成的。而實際上在整個工藝流程中，還要定期從取樣口取出發酵液送到實驗室去化驗，根據化驗的結果，溫度和時間可能會有所改變。因此，從整個工藝流程中的操作可看出：溫度在啤酒發酵工藝流程中，是完成工藝流程的工藝參數，而不是表征發酵狀態的特征參數；是完成啤酒發酵流程的生化反應環境，而不是標識。在實驗室化驗和檢測的發酵液的糖度、乙醇含量、活酵母數和雙乙酰含量等理化指標才是表征發酵狀態的特征參數，是發酵工藝流程的標識。
啤酒發酵過程屬于生物化學反應過程簡稱生化反應，不是化學反應過程。化學反應中有反應溫度，不到反應溫度化學反應不可能進行；生化反應中無反應溫度—說，它的反應主體是微生物而不是元素，只要微生物具有生物活性就能起反應，溫度的高低影響的主要是反應速度和反應中產生的代謝物稍有差異。當然，決定生化反應速度不僅僅是溫度，還有參加反應的物質的種類和品質。因此在生化反應中往往是限定zui高溫度，如現有的兩種發酵工藝即高溫發酵和低溫發酵，規定的都是zui高溫度。限止zui高溫度的目的是為了防止產生不需要的代謝物。可見，只要溫度低于zui高限溫，生化反應都可以正常進行。但是，溫度過低將影響生產效率，溫度波動過大將影響代謝物的品質。因此，根據麥汁的質量和充氧情況、酵母種類和活酵母數、啤酒品種等，以及生產效率，選擇合適的溫度并控制在一定范圍內，然后再根據在發酵進程中測得的糖度、乙醇含量、活酵母數和雙乙酰含量等理化指標，來確定溫度應升高或降低或保持不變，并與時間一起來控制整個發酵進程。總之，溫度提供的是生化反應環境，是工藝參數；調節的是反應速度。這就是溫度在啤酒發酵工藝流程中的作用。
可見，在啤酒發酵工藝流程中的溫度測量，并不需要高準確度，而是滿足一定準確度下的較高度測量，這也是在化學工業部門—般采用A級鉑電阻溫度計，而在啤酒釀造中只須用B級的原因所在。
在前面溫度與熱量一段中，己經指出溫度控制的實質就是控制通過可控傳熱渠道的熱交換量。在啤酒發酵工藝流程中，對發酵液而言，熱量主要不是由外界傳入的，而是內部產生的生化反應熱。這些熱是發酵液中的糖在酵母作用下，轉化為乙醇、二氧化碳和其他代謝物時伴隨而產生的。這些熱量我們必須適時的通過可控傳熱渠道冷卻夾套即冷帶傳出去，使得發酵液的溫度維持在低于zui高限溫的某一數值，為生化反應提供較穩定的反應環境。若想升溫就減小傳出量；想降溫就增大傳出量。因此，在啤酒發酵工藝流程中，將產生的生化熱適時的通過冷卻夾套傳出去，就是啤酒發酵工藝流程中溫度控制的實質。
到此，人們也許要問，既然發酵罐外壁上安裝的溫度計測的是該點附近的溫度，且是用來控制通過冷帶傳出的熱流，那么發酵罐內其他部分的溫度是怎樣分布的呢？由于溫度在啤酒發酵中的作用很大，又不知道罐內的溫度分布，于是就產生許多誤解。如從取樣口放出發酵液測量溫度；將溫度計插入深度加長，長到一米甚至一米五，恨不得能插到罐中心等。這些都是由于對前面所述的基本概念不十分清楚而產生的，這樣做不僅完全沒有必要，反而有害。這是因為從取樣口放出發酵液過程中，通過與周邊環境的熱交換溫度己變化，還有測量用的溫度計并非是同一枝，將會給人們傳遞錯誤的信息。而溫度計過長則剛性降低，在發酵液流動較激烈時易產生振動，且不易清洗滅菌。
四，在啤酒發酵工藝流程中的溫度控制
目前，我國絕大部分啤酒廠均采用園柱錐底式發酵罐簡稱錐形罐，—般在圓柱部分焊有兩到三段冷卻夾套，錐底還有一冷卻夾套。整個罐體除罐頂裝置和罐底的進出口以外，全部用絕熱材料包裹起來，用其來阻隔與外界的熱交換。這樣使得罐內發酵液與外界的熱交換量和發酵液產生的生化熱相比較可忽略不計，控溫中通過冷卻夾套由冷卻介質帶走的熱量主要是生化熱。qu:nV"~_
在整個啤酒發酵工藝流程中，只要酵母還有生物活性，就會有生化反應，也就有生化熱和代謝物產生，這是區別于其他無自熱反應的液體很重要的特點。另一特點是啤酒中的主要成份是水，而水的密度隨溫度的變化在高于凝固點溫度附近有一zui大值，純水為4℃、啤酒為3℃左右。換句話說當啤酒溫度在高于3℃以上降溫時，啤酒密度增大；在低于3℃時降溫，啤酒密度減小。
上面所述的特點以及前面部分所講的一些基本概念，再加上流體運動的基本規律和傳熱學的基本常識，是我們科學分析問題的基礎。
首先，我們來看—下zui簡單的控制流體溫度的方法。在啤酒廠中幾乎都使用板式換熱器使流體升溫或降溫，如在灌裝機前降低灌裝溫度。為了控制啤酒溫度必須用一支溫度計來進行檢測，然后由調節器來控制通過換熱器的致冷介質流量以控制溫度。顯然，我們不可能將溫度計裝在換熱器的進口，而是裝在出口處，而且從出口至灌裝機之間的管道還需要保溫。這是一種典型的流體換熱控制方式，殺菌機噴淋水的溫度控制也是這種方式。在啤酒發酵罐內也類似如此，但是還是有一點區別：在板式換熱器中啤酒是在壓力作用下在管內流動，而在發酵罐內發酵液的流動是在重力或浮力以及二氧化碳氣泡上升力的作用下流動。前者稱為強迫對流，而后者稱為自然對流。
在啤酒發酵主酵期，將產生大量的熱量和二氧化碳。為了即時地將熱量通過冷卻夾套由冷卻介質帶走，換熱方式必須是對流換熱，而錐形罐的這種結構形式和發酵液本身所具有的特性，在發酵時不用機械攪拌就能形成強烈的自然對流。我們可以在發酵液中取出一個流體微團來進行研究。
在底部的流體微團，生化反應進行中產生的熱使得其體積膨脹密度減小；伴隨著產生的二氧化碳—部分以氣泡形式向上升，另一部分溶入液體內，越是在底部的流體微團由于靜壓的影響溶解量也就越多。以上因素都使得底部的流體微團有一向上的作用力，使其反重力方向向上運動。而位于上部分靠近冷卻夾套的流體微團,由于被冷卻體積縮小密度增大，在重力作用下向下運動。當原來底部的液體微團到達上部以后，由于流體的連續性，在罐內壁上部的液體微團經冷卻后向下運動時，就流向罐壁，然后隨著前面向下運動的流體一起向下運動，并在運動中將增加的那部分熱量交給冷卻夾套中的致冷介質。這時，流體微團是在重力作用下運動，有一定速度，若想使速度保持不變就需將運動過程中不斷產生的生化熱在下一冷卻夾套中被帶走。因此，那種認為在主發酵期,溫度的設定值從上往下逐漸升高以加強對流的說法毫無科學道理，恰恰相反那樣做將是削弱對流。罐內液體在此期間形成了中間向上，四周向下的強烈對流，向上的推動力是浮力，向下的作用力是重力，在這兩種力的作用下使流體產生上下循環流動。而在中間和外層之間，由于流體粘性力的作用會形成旋渦，使內外層熱冷流動層之間的流體微團之間產生質量交換，熱量也隨著遷移，稱為傳質傳熱。所形成的這種大循環流動不僅能大大提高換熱效率，且使罐內溫度較為均勻，相當于機械攪拌的效果，這是錐形罐發酵zui大的優點之一。
根據我們測試的數據表明：在主發酵期內，罐體內壁一米以內的溫度不均勻性小于0.5℃。因此完全沒有必要將溫度計插入很深，那種在溫度計插入深度上做文章是沒有科學根據的，溫度計的插入深度只要達到外界溫度變化不影響測量即可。那種又粗又長的溫度計用在這里毫無道理，何況還不易清洗滅菌。一般用30厘米長的鉑電阻就可以。按我個人的看法，溫度計根本就不用伸入罐內，用表面溫度計貼緊在罐外壁上，同樣可以用來控制通過由致冷介質帶走的熱量，但必須對整支溫度計采取嚴密的絕熱措施，測量導線也需進行防止熱量傳入到感溫部分的措施。由于這時罐內壁己無他物，清洗滅菌非常方便且效果好，對提高啤酒品質大有好處。當然，做到完全絕熱或者說外界溫度變化對溫度測量毫無影響是不可能的，但是若我們事先考慮到這一影響，并加以修正還是完全可行的。這種控制方式不僅在國外，而且在國內己經被采用，如在北京燕京啤酒的部分發酵罐就是采用的表面溫度計。
在主酵期的溫度控制—般都問題不大，比較好控制。在降溫階段也不存在太大的問題，只要很好地控制降溫速率，逐步地減緩對流強度以利于酵母沉降。大量酵母排出以后再繼續降溫，這時問題就出現了。由于此時大量酵母己經排出，留下來的酵母的生物活性由于溫度降低而降低，所產生的生化熱也隨之減少，對流速度大大減緩，但是在溫度高于酒液的密度zui大點3℃的情況下，罐內酒液的流動仍然是中間往上，四周往下。再繼續降溫到密度zui大奌3℃時，在罐壁內側的流體微團的體積己縮到zui小，若再進一步降溫時流體微團的體積反而增大即密度減小，產生一向上的浮力來滯止向下的流動，進而改變方向向上運動，當流體微團離開冷帶以后，由于自熱和外界熱量傳入,溫度上升密度又變大，運動又被滯止且改變方向向下，產生局部環流，這樣在罐內就形成不了整體大環流，產生較大的溫度梯度。產生這一現象的原因固然是由于水的特性所引起，但是與溫度控制方案也有關系。
當流體流動方向改變時，用以控制溫度的溫度計的位置也應隨之轉換，使其仍然處在換熱器的出口。換句話說，在溫度高于密度zui大時，流體是向下流經冷帶，溫度計應放置在冷帶下方；當低于密度zui大點后，流體是向上流經冷帶，溫度計應放置在冷帶的上方。這樣才能控制由致冷介質帶走的熱量，否則當流動方向改變而溫度計位置依舊，就相當于在換熱器的進口插支溫度計，顯然根本就無法控制溫度，不僅僅形成不了大循環，而且zui上層還很容易結冰。6D&{+；
為了解決這個問題，有人提出了不少辦法：提前剎車、模糊控制、專家系統等等，不能說不行，只能說是未能抓住其本質。若溫度計位置依舊在冷帶下方，相當于酒液從換熱器出口流出后在外面轉了一圈后再回到換熱器進時才知道酒液的溫度，這樣不僅僅在時間上滯后，而且在外面轉一圈的換熱情況將受許多因素的影響，因此，這不是一種很科學的辦法，科學的辦法就是根據控制溫度就是控制可控傳熱渠道交換熱量的基本概念，在流動方向改變時應及時地變更溫度檢測奌的位置，應當舍棄原來位于冷帶下方的溫度計，而用位于冷帶上方的溫度計作為控制溫度的檢測溫度計。這時控制的主要是錐底部分的冷帶，有時還需控制圓柱部分體下面的冷帶，zui上面即位于液面附近的溫度計僅作為監視不起控制作用。
當然，若罐的直徑過大，或罐的保溫效果欠佳，也會形成較大的溫度梯度，此時可用罐底二氧化碳吹氣的辦法增強內部熱交換，使罐內溫度趨向均勻。
五，評價溫度控制系統的幾點看法
溫度控制系統一般都采用閉環控制，即由傳感部分從控制對象采集被控參數信號，傳至調節器與設定值比較，根據比較結果調節器輸出控制信號給執行機構，調節控制對象的被控參數。控制對象是閉環中很重要的一環，以上討論的問題大部分都與此有關，不要以為我們有了溫度計、調節器和執行機構，就能使溫度控制穩定且均勻。首先必須對控制對象的熱結構有一科學的分析，正確地選用溫度計并確定其安裝位置，否則就可能產生溫度來回波動和較大的溫度梯度。因此，在評價一溫度控制系統時，首先要看控制方案中的熱結構分析，這是前提和基礎。
其次,在工業生產中,可靠性始終是放在*位的，無論是機械的還是電子的，在滿足功能的情況下，越簡單，中間環節越少可靠性就越高。就整個溫度控制系統而言，zui重要的是傳感部分和執行機構，這兩部分的故障率據美國的霍尼威爾公司統計：傳統的控制系統有近80％的故障是由傳感部分和執行機構的故障而產生，而其中傳感部分占45％。因此，提高可靠性的重點是傳感和執行兩部分，而不是其他。這—奌往往容易被忽視，尤其是對從事計算機工作的人員，他們的注意力往往放在計算機的軟硬件上，而忽視了其他控制環節。在我國剛推廣使用計算機控溫時，經常出故障，有人就認為用計算機控溫不行，實際上不是計算機的問題，而是其他環節的問題。
再談一下“先進性”問題，在市場經濟情況下，只有有經濟回報或稱為有價值回報的“先進性”，那種無價值回報的所謂“先進性”毫無意義。一個系統并不是因為你采用了某項新技術或新組件，整個控制系統就先進。整個系統的先進性，應當從整個控制環節來全面評價，且并非一成不變，應該根據實際情況而改變。何況到底是否先進應由用戶，用實際的經濟指標來說話。
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