Druckeinstellung

und

Zapftechnik!

 

 

 Hier möchte ich zeigen, wie man den Druck, den man zum schau­mar­men Zapfen am Regler ein­stel­len muss, be­rech­nen kann.

 

Welches Gas in der Schankanlage be­nutzt wird, ist für den Zapfdruck zu­nächst oh­ne Bedeutung. Ob CO₂, N₂ oder ei­ne Mischung aus bei­den – die Erfordernisse für den Zapfdruck sind die Gleichen.

Unterschiede er­ge­ben si­ch nur beim Aufkarbonisieren – da­zu un­ten mehr.

 

Das Zapfgas muss zwei Aufgaben er­fül­len. Einerseits sorgt der Druck des Gases da­für, dass das im Bier ge­lös­te CO₂ nicht aus­ga­sen kann und so­mit zu Schaum beim Zapfen führt. Andererseits ist es auch der Antrieb für das Bier, der es durch die Schläuche und über Höhenunterschiede pres­st. Damit sind auch schon die wich­tigs­ten Komponenten des Zapf- oder kor­rek­ter Betriebsdrucks der Schankanlage ge­nannt:

 

• Der Sättigungsdruck des Bieres
• Der Druckverlust durch Leitungswiderstand
• Der Druckverlust durch Höhenunterschied

 

 

 

 

 

Komponenten des Betriebsdrucks ei­ner Zapfanlage

 

Sättigungsdruck

 

Der Sättigungsdruck stellt si­ch im ge­schlos­se­nen Fass in Abhängigkeit vom CO₂-Gehalt des Bieres und sei­ner Temperatur ein. Weiß man bei­de Werte, kann man den Sättigungsdruck aus ei­ner Tabelle ab­le­sen, wie sie z.B. in [1] und [4] zu fin­den ist.

 

Einfacher ist es al­ler­dings, den Druck des Fasses ein­fach zu mes­sen. Das Fass muss da­zu be­ru­higt sein, das heißt es muss die Umgebungstemperatur an­ge­nom­men ha­ben und ei­ni­ge Stunden nicht be­wegt wor­den sein. Die Messung kann z.B. mit dem Druckminderer der CO₂-Flasche er­fol­gen, in­dem man bei ge­schlos­se­nem Flaschenventil das Fass an­schließt, das Ausgangsventil öff­net und den Druck am aus­gangs­sei­ti­gen Manometer ab­liest. Das funk­tio­niert al­ler­dings nicht, wenn der Zapfkopf ein CO₂-Rückschlagventil be­sitzt.

 

Beispiel: Bei ei­nem Lager mit ei­nem CO₂-Gehalt von 5g/l soll­te man bei ei­ner Temperatur von 10°C ei­nen Druck von et­was über 1,2 bar ab­le­sen.

 

Achtung: Bei ei­nem Durchlaufkühler muss der Druck nach der Temperatur des Bieres vor dem Kühler be­rech­net wer­den, al­so dem Sättigungsdruck bei Zimmertemperatur. Das wä­ren bei obi­gem Lager und 20°C Umgebungstemperatur schon über 2 bar.

 

Betriebsdruck

 

Der Betriebsdruck der Schankanlage ist der Druck, der am Druckminderer der CO₂-Flasche ein­ge­stellt wer­den muss. Ziel der Einstellung ist es, dass der Sättigungsdruck an kei­ner Stelle der Schankanlage un­ter­schrit­ten wird, weil das an die­ser Stelle zum Ausgasen des CO₂ und da­mit zu Zapfproblemen füh­ren wür­de. Dafür reicht es nicht, dass im Fass der kor­rek­te Sättigungsdruck herrscht. Die Reibung im Bierschlauch und die von der Förderhöhe ver­ur­sach­te Druckdifferenz füh­ren zum Druckabbau über die Leitungslänge. Diese Druckdifferenz muss auf den Sättigungsdruck auf­ge­schla­gen wer­den.

 

Druckverlust in der Bierleitung

 

Der Druckverlust durch Reibung in der Bierleitung ist ab­hän­gig von ih­rem Durchmesser, der Länge und dem Volumenstrom. Der Volumenstrom ist die Menge an Bier, die pro Minute durch die Leitung flie­ßen soll. Gängige Werte lie­gen zwi­schen 3 und 5 Liter pro Minute. Die Tabelle un­ten zeigt die Verlustwerte für die gän­gi­gen Leitungsquerschnitte bei 3 l/min. Der Wert wird mit der Leitungslänge in Meter mul­ti­pli­ziert und er­gibt den zu­sätz­li­ch nö­ti­gen Betriebsdruck.

 

Leitungsquerschnitt	Druckverlust
4mm	0,72 bar/m
7mm	0,05 bar/m
10mm	0,01 bar/m

 

Beispiel: Wird ei­ne Bierleitung mit 7mm Durchmesser und 5m Länge bei ei­nem Volumenstrom von 3l/min be­nutzt, be­rech­net si­ch der Druckverlust durch Reibung zu 0,05 bar/m * 5m = 0,25 bar.

 

Druckdifferenz durch Förderhöhe

 

Dritter Faktor zur Berechnung des Betriebsdrucks ist die Förderhöhe. Das ist die Höhendifferenz zwi­schen der Bieroberfläche im Fass und der Austrittsöffnung des Zapfhahns. Pro Meter Höhenunterschied muss ein Wert von 0,1 bar zu­sätz­li­ch auf­ge­bracht wer­den.

 

Beispiel: Wenn der Fasskühler im Keller steht und si­ch die Zapfhähne im Erdgeschoss be­fin­den, be­trägt die Höhendifferenz zwi­schen Bierfass und Zapfhahn et­wa 3 Meter. Der zu­sätz­li­ch nö­ti­ge Betriebsdruck er­gibt si­ch zu 3m * 0,1 bar/m = 0,3 bar.

 

Bilanz der Verluste

 

Schließlich schlägt man üb­li­cher­wei­se ei­nen Sicherheitsfaktor von 0,1 bis 0,2 bar auf die Summe der be­rech­ne­ten Werte auf. Der Betriebsdruck be­rech­net si­ch al­so

 

Betriebsdruck = Sättigungsdruck + Druckdifferenz aus Reibungsverlusten + Druckdifferenz durch Förderhöhe + Sicherheitsfaktor

 

Das wä­ren in un­se­rem Beispiel

 

Betriebsdruck = 1,2 bar + 0,25 bar + 0,3 bar + 0,2 bar = 1,95 bar

 

Am Druckminderer der CO₂-Flasche muss man al­so ei­nen Wert von 1,95 bar ein­stel­len, da­mit das Bier schaum­frei aus dem Hahn flie­ßen kann.

 

Zuviel CO₂ im Bier?

 

Diese 1,95 bar lie­gen aber weit über dem Sättigungsdruck des Bieres im Fass. Steht das Fass län­ge­re Zeit, et­wa über Nacht, un­ter die­sem Druck, wird si­ch zu­sätz­li­ches CO₂ im Bier lö­sen und den CO₂-Gehalt des Bieres er­hö­hen, was wie­der­um den Sättigungsdruck er­höht und (sie­he oben) ei­nen in Folge hö­he­ren Betriebsdruck be­nö­tigt. Der CO₂-Gehalt und nö­ti­ge Betriebsdruck wür­de si­ch al­so über die Zeit im­mer wei­ter er­hö­hen und das Bier letzt­end­li­ch un­zapf­bar ma­chen.

 

Um das zu ver­mei­den, muss die CO₂-Versorgung zu­min­dest über Nacht und auch bei län­ge­ren Zapfpausen ab­ge­stellt wer­den. Der Druck im Fass soll­te wie­der dem ge­wünsch­ten CO₂-Gehalt an­ge­passt, al­so bis zu dem der Temperatur ent­spre­chen­den Sättigungsdruck ab­ge­las­sen wer­den.

 

Zudem soll­te man schon bei der Planung der Schankanlage dar­auf ach­ten, dass Leitungslängen und Höhendifferenz mög­lichst ge­ring sind, um ho­he Druckaufschläge zu ver­mei­den. In un­ver­meid­bar un­güns­ti­gen Fällen muss mit Bierpumpen ge­ar­bei­tet wer­den, die das Bier oh­ne zu­sätz­li­che Druckbeaufschlagung för­dern.

 

Zapfen mit Mischgas

 

Eine wei­te­re Möglichkeit, der Aufkarbonisierung zu be­geg­nen, ist die Arbeit mit Stickstoff oder Mischgas an­stel­le von rei­nem CO₂. Stickstoff ist in Bier prak­ti­sch nicht lös­li­ch, so dass auch ho­he Drücke da­mit nicht zum Aufkarbonisieren füh­ren. Bei rei­nem Stickstoff wür­de im Gegenteil we­gen des feh­len­den CO₂-Partialdrucks das CO₂ aus­ga­sen. Man be­nutzt da­her Mischungen aus N₂ und CO₂, die so viel CO₂ ent­hal­ten, dass der CO₂-Partialdruck beim ein­ge­stell­ten Betriebsdruck ge­n­au dem nö­ti­gen CO₂-Sättigungsdruck ent­spricht.

 

Daraus folgt, dass die Zusammensetzung des Mischgases auf die Zapfanlage und ih­ren Betriebsdruck ab­ge­stimmt wer­den muss. Konfektioniertes Mischgas ist nur mit fes­ten N₂-Gehalten von z.B. 60, 70 oder 80% er­hält­li­ch und da­mit nur in Sonderfällen ge­n­au pas­send – in den meis­ten Fällen wä­re der CO₂-Anteil zu ge­ring, so dass das Bier auf Dauer schal wür­de. Besser wä­re ei­ne Mischung der Gase auf den Idealwert vor Ort [5].

 

Bei un­se­rem obi­gen Beispiel sä­he die Rechnung nach [5] so aus:

 

Stickstoffanteil in %
= Druckverluste in bar / (Druckverluste in bar + Sättigungsdruck in bar + 1 bar)
= 0,75 bar / (0,75 bar + 1,2 bar + 1 bar)
= 25%

 

Bei ei­nem Mischgas aus 25% N₂ und 75% CO₂ kä­me es in un­se­rer Beispielanlage we­der zu ei­ner Aufkarbonisierung no­ch zum Aubbau des CO₂-Gehalts des Bieres.

 

Schaumfreies Zapfen

 

Zunächst ist es wich­tig, dass auf dem Weg des Bieres vom Fass zum Schankhahn mög­lichst we­ni­ge Hindernisse auf­tre­ten. Abrupte Querschnittsänderungen, Ecken, Kanten, Engpässe oder Widerstände im Strömungsverlauf füh­ren da­zu, dass si­ch durch Turbulenzen an die­sen Stellen Gas ent­bin­den kann. Zudem soll­ten al­le Bierleitungen ste­tig in Richtung Zapfhahn an­stei­gend ver­legt sein, so dass even­tu­el­le Gasbläschen zü­gig zum Zapfhahn trans­por­tiert wer­den und si­ch nicht im Schlauch sam­meln kön­nen.

 

Bei trans­pa­ren­ten Schläuchen kann man Probleme leicht dar­an er­ken­nen, dass si­ch im Schlauch Gasbläschen be­fin­den. Bei ei­ner gut ge­plan­ten und ver­leg­ten Anlage soll­te der ge­sam­te Schlauch kom­plett gas­frei sein.

 

Wenn im Fass der Betriebsdruck ein­ge­stellt ist, baut si­ch die­ser Druck ent­lang der Leitung auf Grund der Verluste bis zum Zapfhahn wie­der auf den Sättigungsdruck (plus Sicherheitsfaktor) ab. Bleiben wir bei un­se­rem Beispiel, lie­gen am Zapfhahn dann et­wa 1,4 bar an. Ein Kolbenschankhahn funk­tio­niert aber nur bei Drücken zwi­schen et­wa 0,4 und 0,6 bar wirk­li­ch gut; liegt der Druck we­sent­li­ch dar­über, wird das Bier durch den plötz­li­chen ho­hen Druckabbau am Schankhahn stark schäu­men und un­zapf­bar wer­den.

 

Beruhigungsschlange

 

Eine Möglichkeit, dem zu be­geg­nen, ist der Einbau ei­ner Beruhigungsschlange. Das ist ei­ne lan­ge, spi­ral­för­mi­ge Bierleitung, die durch ih­ren Reibungsverlust den an­lie­gen­den Druck lang­sam auf ei­nen ver­träg­li­chen Zapfdruck ab­baut. Die be­nö­tig­te Länge er­gibt si­ch aus der ab­zu­bau­en­den Druckdifferenz.

 

In un­se­rem Beispiel müs­sen wir den Druck von 1,4 auf et­wa 0,4 bar, al­so um 1 bar ab­bau­en. Benutzen wir da­für ei­ne Bierleitung mit 7mm Durchmesser, er­gibt si­ch fol­gen­de Rechnung:

 

Leitungslänge_7mm in m = Druckdifferenz in bar / Leitungsverlust in bar/m
= 1 bar / 0,05 bar/m
= 20m

 

Wir wür­den al­so ei­ne 20 Meter lan­ge Leitung mit 7mm Durchmesser be­nö­ti­gen. Besser wä­re ei­ne Beruhigungsschlange mit nur 4mm Duchmesser:

 

Leitungslänge_4mm in m = 1 bar / 0,72 bar/m = 1,4m

 

Bei ei­nem Leitungsquerschnitt von 4mm ver­rin­gert si­ch al­so die nö­ti­ge Länge zwar auf 1,4 Meter, es bleibt aber ei­ne platz­rau­ben­de und un­fle­xi­ble Lösung, denn bei un­ter­schied­li­ch kar­bo­ni­sier­ten Bieren müss­te die Leitungslänge der Beruhigungsschlange je­weils an­ge­passt wer­den.

 

Trotzdem ist es ei­ne gu­te Idee, die hei­mi­sche Zapfanlage mit mög­lichst ge­rin­gem Leitungsquerschnitt auf­zu­bau­en, wenn nur kur­ze Strecken über­brückt wer­den müs­sen. Auf die­se Weise ver­rin­gert si­ch die Menge an Bier, die si­ch in Zapfpausen er­wär­men kann und da­zu führt, dass nach ei­ner Zapfpause zu­nächst wie­der ei­ne ge­wis­se Menge Schaum ge­zapft wird. Außerdem wird auch die Menge an Bier, die am Ende als Verlust in den Schläuchen ver­bleibt, ge­rin­ger.

 

Bei ei­nem Durchlaufkühler ver­schärft si­ch das Problem des Druckabbaus no­ch, da dann am Schankhahn der Sättigungsdruck an­liegt, der der Ausgangstemperatur des Bieres ent­spricht. In un­se­rem Beispielfall wä­ren das al­so über 2 bar. Eine 7mm-Beruhigungsschlange müss­te dann schon ei­ne un­rea­lis­ti­sche Länge von 32 Metern (1,6/0,05) ha­ben, ei­ne 4mm-Schlange im­mer­hin no­ch 2,2 Meter (1,6/0,72).

 

Kompensatorhahn

 

 

 

Kompensatorzapfhahn

 

Flexibler und platz­spa­ren­der ist ein Kompensatorschankhahn. Dessen spe­zi­el­le Konstruktion er­laubt den scho­nen­den Druckabbau voll­stän­dig in­ner­halb des Zapfhahns. Zusätzlich kann der Kompensator mit ei­nem Hebel an den je­weils an­lie­gen­den Druck und die ge­wünsch­te Durchflussgeschwindigkeit an­ge­passt wer­den, so dass auch Biere mit un­ter­schied­li­cher Karbonisierung pro­blem­frei in an­ge­neh­mem Tempo ge­zapft wer­den kön­nen.

 

Das Merkblatt der Weißbierbrauerei Schneider [2] ent­hält auf Seite 18/19 ei­ne sehr hilf­rei­che Tabelle mit Tipps zu Zapfproblemen. Sie klin­gen zwar teil­wei­se ba­nal, soll­ten aber fast im­mer zum Erfolg füh­ren, wenn man sie Schritt für Schritt be­folgt.

 

 

Quellen:

 

1. InBev: Physikalische Grundlagen
   http://www.gastronomiefuerprofis.de/admin_assets/content/content_files/public/pdf_kontakt/Physikalische_Grundlagen.pdf
2. Weißbierbrauerei G. Schneider & Sohn: Bierpflege – Tips und Tricks für die Gastronomie
   http://www.schneider-weisse.de/down/Fassbierbroschuere_de.pdf
3. Brauerei Gebr. Maisel: Gepflegtes Weißbier vom Fass ins Glas
   http://www.maisel.com/files/pdf/Broschuere_Fassbierpflege_Maisel.pdf
4. Forum hobbybrauer.de: Spundungstabelle
   http://hobbybrauer.de/forum/wiki/doku.php/spundungstabelle
5. Arbeitskreis Schankanlagen im Deutschen Brauerbund: Grundsatzpapier Bierausschank mit Mischgas
   http://www.brauer-bund.de/download/Archiv/Ausschank_Pflege/Grundsatzpapier des Arbeitskreises – Bierausschank mit Mischgas.pdf