殺菌機(jī)是啤酒包裝生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備之一，既是啤酒企業(yè)能耗、水耗的重點(diǎn)耗能設(shè)備，又是保證啤酒產(chǎn)品質(zhì)量的最后一道處理設(shè)備。其主要任務(wù)是在保持啤酒原有口味和風(fēng)味的前提條件下，通過適度的巴氏殺菌，滅活啤酒中微生物數(shù)量，以達(dá)到延長(zhǎng)啤酒的保質(zhì)期的目的。與此同時(shí)，在保證啤酒產(chǎn)品質(zhì)量的前提下盡量少地消耗蒸汽、電能、水資源，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。
在啤酒包裝車間除了洗瓶機(jī)外，殺菌機(jī)在蒸汽、電能、水資源等方面消耗占比較大。若殺菌機(jī)設(shè)備在設(shè)計(jì)制造上存在缺陷，加之操作不當(dāng)，水資源會(huì)超過洗瓶機(jī)。多年來國(guó)內(nèi)許多啤酒企業(yè)一直都在研究和改進(jìn)啤酒殺菌機(jī)的性能，以使啤酒殺菌機(jī)在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，減少蒸汽、電能、水資源的消耗。伴隨國(guó)家供給側(cè)的改革和企業(yè)進(jìn)行升級(jí)改造的需要，企業(yè)加大了技改資金的投入，并與科研院所聯(lián)合開展產(chǎn)學(xué)研實(shí)踐活動(dòng)，以啤酒殺菌機(jī)為例，從殺菌機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制原理、流體動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)等方面進(jìn)行分析，將其分析結(jié)論應(yīng)用于殺菌機(jī)的技術(shù)改造。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行效果表明，在降低能源和水的消耗的同時(shí)，明顯提升了啤酒產(chǎn)品質(zhì)量。
通過仔細(xì)分析殺菌機(jī)在生產(chǎn)準(zhǔn)備階段和正常運(yùn)行階段的工況參數(shù)，發(fā)現(xiàn)存在以下問題：
1.殺菌機(jī)在生產(chǎn)準(zhǔn)備階段電耗、水耗和蒸汽消耗量偏大，主要是由于生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間過長(zhǎng)，造成這一現(xiàn)象的主要原因是加水和啟動(dòng)水泵的方式不合理。
目前殺菌機(jī)在準(zhǔn)備生產(chǎn)階段，如圖1所示，首先是將各水箱進(jìn)水閥（閥體為綠色表示閥門處于開狀態(tài)）打開并關(guān)閉溢流水閥，向冷水緩沖槽、溫水緩沖槽、熱水緩沖槽注水，一直加注到高液位H1=820mm（液位高于各水箱之間的隔板和緩沖槽與小水箱之間的隔板），主要是防止小水箱中的水在各溫區(qū)水泵啟動(dòng)時(shí)會(huì)將小水箱（有效容積0.25m3）的水抽干而造成水泵無水運(yùn)轉(zhuǎn)燒毀水泵。當(dāng)各緩沖水槽和小水箱達(dá)到高液位H1=820mm后，啟動(dòng)各臺(tái)水泵和熱水泵，這時(shí)因水位高，緩沖槽的水會(huì)經(jīng)隔板不斷地補(bǔ)充到小水箱中，有效避免了水泵無水運(yùn)轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。待運(yùn)行穩(wěn)定，打開溢流水閥，排掉多余的水至運(yùn)行液位H2=580mm，由此造成水的浪費(fèi)和消耗。待緩沖槽液位降至運(yùn)行液位后，開啟加熱薄膜閥，如圖2所示，進(jìn)行循環(huán)噴淋加熱，這種加熱方式必然造成大量的熱擴(kuò)散到空氣中，在消耗更多蒸汽的同時(shí)還會(huì)延長(zhǎng)生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。待熱水緩沖槽水溫加熱到70℃，生產(chǎn)準(zhǔn)備就緒，此時(shí)用時(shí)一般在1h左右。
可以發(fā)現(xiàn)，這種加水、加熱和啟動(dòng)水泵的方式使得在生產(chǎn)準(zhǔn)備期間，各溫區(qū)水泵啟動(dòng)過早（一般空車運(yùn)轉(zhuǎn)50min左右），對(duì)于10溫區(qū)殺菌機(jī)（需多耗電50kW·h）。另外，因在加熱時(shí)各溫區(qū)水泵均開啟，會(huì)將冷水緩沖槽和溫水緩沖槽水溫大幅度升高，消耗過多蒸汽，而在生產(chǎn)階段初期，需不斷加自來水降低出口酒溫而造成較大能耗。
2.殺菌機(jī)出現(xiàn)故障，重新投入運(yùn)行恢復(fù)時(shí)間過長(zhǎng)，一般需要20多分鐘，影響生產(chǎn)效率，主要是殺菌機(jī)各小水箱（有效容積0.25m3）容積小。為了防止殺菌機(jī)在啟動(dòng)時(shí)抽干小水箱的水，在重新啟動(dòng)前必須將水加注超過小水箱和緩沖水箱的隔板至高液位H1=820mm,重復(fù)上述生產(chǎn)準(zhǔn)備階段的步序和過程會(huì)再次產(chǎn)生過多的電耗、水耗和蒸汽消耗。
3.冷水緩沖槽水溫偏高，特別是夏季水溫經(jīng)常超過40℃。當(dāng)最后兩個(gè)溫區(qū)需要降溫和第一、二溫區(qū)缺水時(shí)，會(huì)啟動(dòng)冷水泵給溫區(qū)降溫和補(bǔ)水，因冷水緩沖槽和溫水緩沖槽之間有連通管（直徑為150mm），如圖2所示，冷水泵運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生離心抽力把溫水緩沖槽近50℃的水拽到冷水緩沖槽中，逐步提升冷水緩沖槽的水溫至40℃，無法使用冷水緩沖槽的水來降溫和補(bǔ)水，只能用自來水來降溫和補(bǔ)水，造成進(jìn)一步的水耗。
4.當(dāng)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，高溫區(qū)（四溫區(qū)）經(jīng)常因水流量小，加熱能力不夠而出現(xiàn)掉溫現(xiàn)象（即使加熱氣動(dòng)薄膜閥全開，噴淋水溫也升不到設(shè)定溫度值），特別是冬季。如圖2所示，熱水從熱水緩沖槽依靠水泵打到殺菌機(jī)各個(gè)溫區(qū)，中間要經(jīng)過薄板式熱交器進(jìn)行加熱。因薄板式熱交器流阻大，熱水經(jīng)過薄板式熱交器水壓損失大，流速慢，沿途各殺菌溫區(qū)和高溫區(qū)都需要用熱水加熱，造成單位時(shí)間流向高溫區(qū)的熱水量偏小，不足以滿足其加熱量而使該溫區(qū)水溫達(dá)不到設(shè)定水溫。
5.包裝生產(chǎn)線殺菌機(jī)后端設(shè)備故障停機(jī)致使殺菌機(jī)停機(jī)。為防止啤酒中過度殺菌，傳統(tǒng)方式是頻繁升降高溫區(qū)和殺菌溫區(qū)的水溫，這將造成過多的水耗和蒸汽消耗，并影響啤酒的口味和風(fēng)味，就像蒸饅頭一樣頻繁地關(guān)火和開火，蒸出來的饅頭肯定不好吃。
通過與殺菌機(jī)廠家和殺菌機(jī)操作人員的技術(shù)交流與溝通，仔細(xì)分析了殺菌機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和熱平衡結(jié)構(gòu)，利用現(xiàn)代控制理論、流體動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)理論，針對(duì)上述存在的問題，提出以下改進(jìn)方案：
1.將原有的加熱輸送泵（7.5kW）改為一臺(tái)循環(huán)加熱泵（4kW）和一臺(tái)熱水輸送泵（3kW）。如圖3所示，很明顯此項(xiàng)改動(dòng)使電能按正常生產(chǎn)全年大約可節(jié)約電1000kW·h。因改為循環(huán)加熱方式，無需兼顧輸送熱水的功能，如圖3所示，當(dāng)水加注到熱水緩沖槽低液位（H3=180mm超過水泵進(jìn)水口）即可啟動(dòng)。循環(huán)加熱泵從開始加水到開始加熱的準(zhǔn)備時(shí)間大約為5min（與自來水的壓力有關(guān)），同時(shí)打開相關(guān)的熱水閥進(jìn)行循環(huán)加熱。
為了減少熱量擴(kuò)散，如圖4所示，不啟動(dòng)各溫區(qū)水泵，不會(huì)產(chǎn)生因熱水噴淋的熱損失并可快速提升熱水緩沖槽的水溫至80℃，以實(shí)現(xiàn)邊加水邊加熱的操作模式，大大縮短了殺菌機(jī)準(zhǔn)備階段的時(shí)間，一般不到20min即可將殺菌機(jī)準(zhǔn)備至運(yùn)行狀態(tài)；因準(zhǔn)備階段不開啟各溫區(qū)水泵，全年可節(jié)電大約1萬多kW·h；無需將緩沖槽加水至高液位，只需加水到運(yùn)行液位即可達(dá)到運(yùn)行條件。特別是此時(shí)冷水緩沖槽和溫水緩沖槽之間的連通管上的連通閥處于關(guān)閉狀態(tài)，冷水緩沖槽處于無水狀態(tài)，這樣在準(zhǔn)備階段可每天節(jié)約水近9t，全年按200天生產(chǎn)，可節(jié)約水1800t。
2.重新設(shè)計(jì)控制程序以改變向殺菌機(jī)各溫區(qū)小水箱和各緩沖加水、加熱方式和各溫區(qū)水泵啟動(dòng)方式。如上所述，當(dāng)殺菌機(jī)投入運(yùn)行狀態(tài)時(shí)啟動(dòng)各溫區(qū)水泵。為避免水的浪費(fèi)，如圖5所示，按一定時(shí)間間隔采用成對(duì)有序啟動(dòng)水泵。在啟動(dòng)這一對(duì)水泵時(shí)，只開啟此對(duì)水泵對(duì)應(yīng)小水箱的進(jìn)水閥門。經(jīng)理論計(jì)算，在充分考慮最遠(yuǎn)端1號(hào)和10號(hào)水箱水泵之間管路有效容積，冷水閥熱水閥的補(bǔ)水量以及水泵每秒打出的水量的情況下，得出水泵在啟動(dòng)階段不會(huì)出現(xiàn)無水空轉(zhuǎn)的結(jié)論。一年多的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況表明，從未出現(xiàn)任何水泵故障，說明改進(jìn)后的啟動(dòng)方式對(duì)水泵的壽命無任何不良影響。
3.在冷水緩沖槽和溫水緩沖槽的連接管道上增加一氣動(dòng)蝶閥。在殺菌機(jī)運(yùn)行過程中，當(dāng)冷水泵啟動(dòng)時(shí)，關(guān)閉此連通閥；當(dāng)溫水緩沖槽液位處于低液位時(shí)，打開此連通閥，確保無溫水緩沖槽的高溫水流向冷水緩沖槽，可維持冷水緩沖槽的水溫在25℃左右，同時(shí)降低殺菌機(jī)運(yùn)行過程中自來水的消耗。
4.增加一臺(tái)熱水輸送泵，因無需經(jīng)過薄板式熱交器，提高了熱水輸送能力。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，殺菌機(jī)高溫區(qū)在冬季再未出現(xiàn)過掉溫現(xiàn)象，能實(shí)現(xiàn)快速升溫，為實(shí)現(xiàn)精確的PU值控制提供物質(zhì)支撐。
5.建立傳熱學(xué)物理模型，改善PU值計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能型PU值控制技術(shù)。設(shè)計(jì)思路：針對(duì)目前國(guó)內(nèi)殺菌機(jī)一般為（10～12）個(gè)溫區(qū)，本文將殺菌機(jī)的運(yùn)行過程看成（10～12）個(gè)相關(guān)聯(lián)的、有初始條件（第一溫區(qū)入口處的酒溫）和第三類邊界條件（各溫區(qū)噴淋水的溫度）的不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程。根據(jù)傳熱學(xué)不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的基本原理可知，導(dǎo)熱微分方程式連同初始條件和邊界條件一起就可以完整地描述一個(gè)特定的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)瓶?jī)?nèi)部的導(dǎo)熱熱阻遠(yuǎn)小于其表面的換熱熱阻，即瓶?jī)?nèi)部溫度趨于一致，即可以認(rèn)為需要計(jì)算的瓶?jī)?nèi)溫度是冷核所在位置的溫度。這樣所要求解的溫度僅僅是時(shí)間τ的一元函數(shù)，而與位置坐標(biāo)無關(guān)。根據(jù)傳熱學(xué)中不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的集總參數(shù)法，就可以求解瓶?jī)?nèi)冷核點(diǎn)的溫度，并根據(jù)不同工況、不同瓶型加入修正因子，將瓶?jī)?nèi)酒溫修正到實(shí)際值，最后，根據(jù)酒溫通過PU值計(jì)算公式計(jì)算出殺菌過程中動(dòng)態(tài)的PU值。
基于噴淋水和啤酒酒溫之間熱傳導(dǎo)的數(shù)理描述，酒溫和PU值會(huì)根據(jù)冷核點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，每15s計(jì)算一次。為得到啤酒瓶在殺菌機(jī)運(yùn)行的酒溫和PU值的曲線，將殺菌機(jī)分成幾百個(gè)區(qū)域，每一個(gè)區(qū)域代表一個(gè)計(jì)算陣列。當(dāng)機(jī)器運(yùn)行時(shí)，這些區(qū)域會(huì)根據(jù)機(jī)器速度移動(dòng)，以時(shí)間來確定酒瓶的位置和計(jì)算在這些位置的酒溫和PU值，這樣即可得到啤酒在殺菌機(jī)中運(yùn)行的酒溫和PU值曲線。為了提高生產(chǎn)效率、降低水耗和能耗，以及保持啤酒的風(fēng)味，筆者認(rèn)為在故障停機(jī)時(shí)，不應(yīng)通過頻繁地降溫和升溫來實(shí)現(xiàn)PU值的準(zhǔn)確控制，而應(yīng)采取故障停機(jī)時(shí)在啤酒未達(dá)到目標(biāo)PU值之前，各個(gè)溫區(qū)均不降溫，保持殺菌機(jī)連續(xù)生產(chǎn)的控制模式，當(dāng)某一溫區(qū)最低PU值區(qū)域達(dá)到目標(biāo)PU值時(shí)，開始降溫。只有當(dāng)出現(xiàn)溫區(qū)中某區(qū)域計(jì)算PU值低于目標(biāo)PU值時(shí)，開始升溫到滿足目標(biāo)PU值的溫度設(shè)定值，以實(shí)現(xiàn)精確的PU值控制。這樣避免了當(dāng)故障解除后殺菌機(jī)還須等待溫度回升到目標(biāo)值后才能運(yùn)行的現(xiàn)象，提高了生產(chǎn)效率。
根據(jù)啤酒企業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)，本文以每天生產(chǎn)10個(gè)小時(shí)來統(tǒng)計(jì)，通過上述對(duì)殺菌機(jī)改造前后的對(duì)比分析，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理分析，得到了殺菌機(jī)每天能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比數(shù)據(jù)，如表1所示。由表1可知，改造后對(duì)殺菌機(jī)整機(jī)性能有明顯提升，特別是在生產(chǎn)準(zhǔn)備階段效果顯著。
本文通過對(duì)現(xiàn)有3.6萬瓶/小時(shí)集中加熱啤酒殺菌機(jī)生產(chǎn)運(yùn)行中存在的問題，從機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制原理、流體動(dòng)力學(xué)、熱傳學(xué)等方面進(jìn)行理論分析，提出了節(jié)能性的PU值控制技術(shù)和節(jié)能改進(jìn)方案，并運(yùn)用到多條啤酒生產(chǎn)線中。三年多的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行證明所述的技術(shù)和方案在保證產(chǎn)品質(zhì)量和口味風(fēng)味前提下，提高了殺菌機(jī)運(yùn)行效率，全年生產(chǎn)按200天計(jì)算可節(jié)約水2782t、電34420kW·h、水蒸氣1176t，為啤酒殺菌機(jī)的升級(jí)改造提供了技術(shù)支撐，也為工業(yè)企業(yè)進(jìn)行節(jié)能降耗提升產(chǎn)品質(zhì)量的技術(shù)改造提供了示范。
