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)到延長啤酒的保質(zhì)期的目的。與此同時，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)計制造上存在缺陷，加之操作不當(dāng)，水資源會超過洗瓶機(jī)。多年來國內(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。伴隨國家供給側(cè)的改革和企業(yè)進(jìn)行升級改造的需要，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，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)場運(yùn)行效果表明，在降低能源和水的消耗的同時，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)備時間過長，造成這一現(xiàn)象的主要原因是加水和啟動水泵的方式不合理。
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)水泵啟動時會將小水箱（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，啟動各臺水泵和熱水泵，這時因水位高，緩沖槽的水會經(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還會延長生產(chǎn)準(zhǔn)備時間。待熱水緩沖槽水溫加熱到70℃，生產(chǎn)準(zhǔn)備就緒，此時用時一般在1h左右。
可以發(fā)現(xiàn)，這種加水、加熱和啟動水泵的方式使得在生產(chǎn)準(zhǔn)備期間，各溫區(qū)水泵啟動過早（一般空車運(yùn)轉(zhuǎn)50min左右），對于10溫區(qū)殺菌機(jī)（需多耗電50kW·h）。另外，因在加熱時各溫區(qū)水泵均開啟，會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)時間過長，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)在啟動時抽干小水箱的水，在重新啟動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)最后兩個溫區(qū)需要降溫和第一、二溫區(qū)缺水時，會啟動冷水泵給溫區(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)行時會產(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，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、流體動力學(xué)、傳熱學(xué)理論，針對上述存在的問題，提出以下改進(jìn)方案：
1.將原有的加熱輸送泵（7.5kW）改為一臺循環(huán)加熱泵（4kW）和一臺熱水輸送泵（3kW）。如圖3所示，很明顯此項改動使電能按正常生產(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。循環(huán)加熱泵從開始加水到開始加熱的準(zhǔn)備時間大約為5min（與自來水的壓力有關(guān)），同時打開相關(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，不啟動各溫區(qū)水泵，不會產(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)水泵啟動方式。如上所述，當(dāng)殺菌機(jī)投入運(yùn)行狀態(tài)時啟動各溫區(qū)水泵。為避免水的浪費(fèi)，如圖5所示，按一定時間間隔采用成對有序啟動水泵。在啟動這一對水泵時，只開啟此對水泵對應(yīng)小水箱的進(jìn)水閥門。經(jīng)理論計算，在充分考慮最遠(yuǎn)端1號和10號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，得出水泵在啟動階段不會出現(xiàn)無水空轉(zhuǎn)的結(jié)論。一年多的現(xiàn)場實(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)后的啟動方式對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蝶閥。在殺菌機(jī)運(yùn)行過程中，當(dāng)冷水泵啟動時，關(guān)閉此連通閥；當(dāng)溫水緩沖槽液位處于低液位時，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，同時降低殺菌機(jī)運(yùn)行過程中自來水的消耗。
4.增加一臺熱水輸送泵，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值計算模型，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能型PU值控制技術(shù)。設(shè)計思路：針對目前國內(nèi)殺菌機(jī)一般為（10～12）個溫區(qū)，本文將殺菌機(jī)的運(yùn)行過程看成（10～12）個相關(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特定的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題。為了簡化計算，假設(shè)瓶內(nèi)部的導(dǎo)熱熱阻遠(yuǎn)小于其表面的換熱熱阻，即瓶內(nèi)部溫度趨于一致，即可以認(rèn)為需要計算的瓶內(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，就可以求解瓶內(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，將瓶內(nèi)酒溫修正到實(shí)際值，最后，根據(jù)酒溫通過PU值計算公式計算出殺菌過程中動態(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值會根據(jù)冷核點(diǎn)進(jìn)行計算，每15s計算一次。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)分成幾百個區(qū)域，每一個區(qū)域代表一個計算陣列。當(dāng)機(jī)器運(yùn)行時，這些區(qū)域會根據(jù)機(jī)器速度移動，以時間來確定酒瓶的位置和計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，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)時在啤酒未達(dá)到目標(biāo)PU值之前，各個溫區(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，開始降溫。只有當(dāng)出現(xiàn)溫區(qū)中某區(qū)域計算PU值低于目標(biāo)PU值時，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個小時來統(tǒng)計，通過上述對殺菌機(jī)改造前后的對比分析，并對現(xiàn)場實(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)計對比數(shù)據(jù)，如表1所示。由表1可知，改造后對殺菌機(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。
本文通過對現(xiàn)有3.6萬瓶/小時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天計算可節(jié)約水2782t、電34420kW·h、水蒸氣1176t，為啤酒殺菌機(jī)的升級改造提供了技術(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。
