您所在的位置是首页>科技学院 > 电气自控 > 正文

啤酒杀菌机PU值控制系统的设定

来源: 2009-05-03 04:02:00
分享

[导读] 1996年,深圳金威啤酒厂二期扩建工程中,有一台丹麦生达-汉森公司提供的杀菌机格外引人注目。它将分散...

    1996年,深圳金威啤酒厂二期扩建工程中,有一台丹麦生达-汉森公司提供的杀菌机格外引人注目。它将分散式管式换热器改为集中式板式换热器、改压力喷淋为重力漏淋。这样不仅提高了热效率,同时又降低了能耗,且在控制显示屏上能显示PU值。同年在某杂志上也报导了该机的PU值控制系统,设定的仍然是喷淋水温度,但是通过实验,将喷淋水温度和啤酒温度联系起来,然后算出杀菌过程中啤酒PU值的变化。

    受丹麦生达-汉森公司PU值控制系统的启发,我们根据多年积累的数据和对杀菌单位定义的分析研究,提出了与其不同的PU控制数学模型。各区的温度值不需设定,而是在设定了PU值后,各区的温度设定值自动选定;生产线因故停机时,随着停机时间长短,4温区和5温区喷淋水温度将自动调整,使整个控制系统变成傻瓜系统。这里的关键是经过适当的数学变换和科学的分析,找到喷淋水温度与PU值的关系,建立数学模型,并提出相应的调试和校正方法。

    一、啤酒杀菌机的工作原理
    使用杀菌机,是为了杀灭啤酒中的酵母菌和酿造过程中污染的杂菌,以提高啤酒的生物稳定性,达到延长商品保质期的目的。国内现有的杀菌机,基本上是在引进德国H&K公司技术的基础上发展而来的。它设有八个温区,但仅控制六个温区的喷淋水温度,其中6温区和8温区是不控制的,该两温区的喷淋水分别由3温区和1温区水箱直接泵至6温区和8温区。其他6个温区除1和7温区为冷却外,其他分别由各自的管式换热器加热。但控制的都是喷淋水的温度,而不是瓶内啤酒的温度。两者为热量传递关系:喷淋水与瓶外壁间是强迫对流换热,瓶外壁至内壁是热传导,瓶内壁与啤酒间是自然对流和热传导。这样一种复杂的换热方式,想用解析的方法解决是不可能的,且外部条件也非确定一致,如喷淋强度不可能完全相同,瓶的大小和壁厚不可能完全相同,壁厚也非均匀一致,瓶内啤酒容量也非固定不变……

    在德国H&K公司啤酒杀菌机的使用说明书中,明确给出了各个温区的温度设定值,并指出关键是第5温区,又称恒温区,且将通过时间设计为10分钟。我们经分析后认为:1温区~4温区为升温区,其目的是使瓶内啤酒通过该区域时温度逐步升高,以防止瓶子在热冲击下产生热应力而导致裂纹,避免二氧化碳在温度高时大量溢出产生高压,致使在输送过程中因碰撞而爆裂。如果将喷淋水温度分为四个小区,区间温差不超过20摄氏度,且让4温区的温度设定为略高于5温区温度以加大热交换,使出口处瓶内啤酒温度与5温区温度相近(理论上可认为相等,实际上是不可能的);5温区是杀菌的主要贡献区即恒温区,俗称保温区;5温区之后的6温区~8温区为节能降温区,其目的有两个,一是将瓶内啤酒的热量回收利用,二是降低瓶内啤酒温度以降低瓶内压力,防止在传输过程中爆瓶,同时保持瓶内温度高于室温,使瓶外壁面的残留水尽快蒸发以利于贴标。在整个杀菌流程中,除恒温区内瓶内温度较为均匀外,其他温区均处于强热交换状态,瓶内温度分布极不均匀。

    对啤酒杀菌工艺而言,杀菌机温度控制的关键区是恒温区,它是杀菌工艺中占统治地位的关键区域,在众多啤酒厂的生产工艺中也以恒温区的温度(俗称杀菌温度)作为指标下达到车间。为此,在德国H&K公司的温度控制系统中,恒温区安装有两支温度计,一支温度计用于控制该区的喷淋水温度,另一支与记录仪相联,记录恒温区的喷淋水温度,以此作为检查和考核杀菌温度的依据。

    恒温区的温度设定值是操作人员无权改变的,而是由工艺技术人员根据实验室的测试结果来确定。而其他温区的温度设定值,则允许操作人员设置。这样就会带来一系列的问题,因为将杀菌后的啤酒拿到实验室进行生物实验,所得到的是整个过程的结果,而非某一区段的结果,若仅仅只是考虑某一区,而不考虑相邻温区的影响,结果可能会失真。这就要求操作人员能够根据具体情况,正确地设置各温区的温度值。另外,当外界条件变化时将如何应对,如临时停机、冷却水温度、啤酒容量和包装发生改变时等,都需要加以考虑解决。

    二、建立PU值控制系统数学模型
    对每一种细菌而言,其生存与温度和时间有关,温度越高生存时间越短,反之时间越长。这就是巴氏杀菌单位PU值,不同菌种杀菌所需的PU值也不同,其定义为:在60℃情况下,保持1分钟为一个杀菌单位,其数学表达式为:
PU=T×1.393(t-60)--------------------(1)
其中PU:巴氏杀菌单位 , T:时间(分), t:温度(℃)
若将(1)方程式进行数学变换后,即可获以下的数学表达式(2):

In PU-In T
t = + 60 (℃) -----(2)
In 1.393
其中PU:巴氏杀菌单位 , T:时间(分), t:温度(℃)
方程(2)中的温度t 是瓶内啤酒的温度,而不是喷淋水的温度,在杀菌机的绝大部分的温区内,两者差别很大,瓶内啤酒的温度滞后且很不均匀,然而在恒温区内两者却是相近的(相差0.1℃左右),且瓶内啤酒的温度较为均匀。在恒温区,(2)式中的t 是啤酒温度,加上0.1℃后就是恒温区喷淋水的温度t(5);T 是瓶在恒温区内运行的时间;PU是在恒温区内所表示的PU 值。
对每一瓶啤酒而言,整台杀菌机所提供的PU 值肯定要大于该值。若以PU 代表整台杀菌机所表示的杀菌单位值,我们可以在(2)式中PU 前乘上1个小于1的系数,将其设定为C,即可将(2)式改写为(3)式
In PU-In T
t(5)= + 60 + 0.1(℃) -- (3)
In1.393
(3)式中的PU 就是整台杀菌机的PU值,是杀菌工艺要求的PU值,即设定值。因此根据公式(3),在设定PU 、C和T后,就可获得恒温区喷淋水温度值t(5)。
PU 值由工艺人员根据实验室的实验结果来确定(一般为15~30之间);T 是瓶通过恒温区的时间(一般为10分钟);C的数值,根据大量的试验数据是在0.7~0.8范围内,可先取其中间值即0.75。
这样我们就确定了恒温区喷淋水的温度设定值,将其设定为t(5)。在其他5个温区中,仅有与恒温区相邻的两个温区对PU值有贡献,即4温区和6温区。这是因为当瓶内酒温为50摄氏度时,l分钟的PU值贡献值仅为0.036,完全可忽略不计,只有这两个温区瓶内酒温可能超过50℃。其中以4温区为最重要,该区的喷淋水温度应高于恒温区温度,以便加大热交换,使瓶内酒温在该区出口处达到恒温区温度,我们可以设定其为t(4),其设定值可用下式表示:
 t(4)=t(5)+ B×2.5 (℃)---(4)
其中B为大于1的系数,其数值在1~2之间,可根据容量大小来确定,如640毫升玻璃瓶B=2,330毫升玻璃瓶B=1。
而6温区的喷淋水是不控温的,直接将水由3温区水箱泵至6温区。在该温区喷淋水温度较5温区低近14℃,瓶内啤酒很快就被冷却到50℃,对PU值的贡献仅占5%左右。
其他四个温区的温度可按如下原则进行设定:
节能降耗,尽量回收热能和节约水耗,区间温差不宜过大,出口处瓶内酒温应高于室温,以避免结露。
建议:
在升温区:t(3)= t(5)- 12 (℃)
t(2)= t(5)- 20 (℃)
t(1)= t(8)- 2 (℃)
在降温区:t(7)= t(5)- 24 (℃)
其中t(1)的设定值为浮动值,即以8温区喷淋水温度为参考值,目的是为了节水,以避免由于冷却水温的差异而引起水的大量消耗。如若设定t(1)= 24℃,而在南方有时冷却水温度超过此值,可能导致调节阀开度一直保持为最大,耗费大量的水也起不到调节作用。

    至此,PU值控制的数学模型已建立,设定值为PU值,系数B、C和时间T可根据实际情况在现场调试时设定,这些数值确定后,各温区的温度设定值即可自动确定。

    三、非正常工作状态下的PU值控制
    上世纪八十年代引进德国H&K(现KHS公司前身)的啤酒杀菌机,在因故停机时,仅切断4温区加热,让其自然降温,而其他温区仍继续控温,致使PU值随着停机时间而增大,可能使在恒温区内的啤酒杀菌过度而产生老化味。为此,在非正常工作状态下,应设法使4温区和5温区的温度设定值随着停机时间作相应的调整,以避免PU值过大。但要做到与正常运转情况下相同,除非在杀菌机出口处增设储瓶平台,且将链网分为两段:l温区~3温区为一段;4温区~8温区为另一段,当停机时间较长时,后一段仍正常运转,将酒输送到储瓶平台上,否则不可能与正常运转情况相同。但在采取一些措施后,偏差是可以控制在允许范围以内的。
建议可按以下方式安排:
1. 输送系统停机时,立刻切断4温区加热。
2. 5分钟后将4温区和5温区设定值改为54℃,打开冷却水使其降温。
3. 超过20分钟,应停止一切加热和冷却,但水泵要继续运转。
4. 启动恢复正常,待5温区温度达到定值后,输送系统才能正常运转。
要特别注意:若全部停机(包括水泵),则将有大量水溢出,再开机时必须补充大量冷水,若瓶温度尚未下降到一定程度,可能在4温区和5温区发生爆瓶。

    以上建议是否合适,可在实践中摸索,以尽量减少能源消耗和品质损耗。

    四、 调试和校正
    由于每台杀菌机的喷淋强度并非完全相同,整个杀菌工艺流程中的传热过程又非常复杂,不可能简单地用一个较为理想的数学模型来描述,需要我们针对具体的实际情况进行必要的修正或校正。
    修正或校正的依据是用随动式PU值测定仪测得的数据,该数据为瓶内某一高度处(一般插入至瓶高2/3处)的啤酒温度值,以及该温度值随时间的变化和PU值。该温度值可作为瓶内啤酒温度的平均值(上高下低),可根据公式(1)计算出累计的PU值,可获得两条曲线,一条是啤酒温度变化曲线,另一条为PU值变化曲线。可根据这两条曲线来调整公式(3)和(4)中的C和B值,这两个系数应由调试或校正人员确定,应建在工程师平台上,不能由操作人员随意更改。上一节所论述的程序,也不能在操作平台上显示,操作平台上只有总启动和总关机以及工作状态显示,其他应由相应的工程技术人员来完成,以确保整台杀菌机处于良好的工作状态。
    恒温区的运行时间T一般不改变,但也应设置在工程师平台上,可以在必要时改变,以适应不同长度或速度的需要。

    总之,设置在工程师平台上的B、C和T三个参数,在设计平台上已有数值,但在工程师平台上均留有调整余地,以消除由于实际情况变化所带来的影响。

    如果包装物不是玻璃瓶而是易拉罐,由于热阻减小,传热加快,B的数值可能小于1,再根据容量大小来设定其数值。任何其他类型的杀菌机,也可用公式(3)和(4),仅参数B、C和T有所不同,其他温区的喷淋水温度值可随之调整。另外,也可以按此思路,在公式(2)的基础上,导出适用于瞬时杀菌PU值控制的数学模型。

    本人认为,找到啤酒杀菌机喷淋水温度与PU值的关系等问题,应坚持科学理念和自信,否则永远是跟着别人后面走。对该机PU值控制系统的有关数据本人最近做了重新修订,有兴趣者可按此方法进行实践,并望能在实践中不断得到完善。

百度加速乐