楊清艷，張 科

(1. 安徽建筑大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601； 2.安徽省六安恒源機(jī)械有限公司 博士后工作站，安徽 六安 237100； 3.合肥中辰輕工機(jī)械有限公司，安徽 合肥 230601)

啤酒巴氏滅菌機(jī)熱分析及噴嘴溫度設(shè)定

楊清艷1,2，張 科3

(1. 安徽建筑大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601； 2.安徽省六安恒源機(jī)械有限公司 博士后工作站，安徽 六安 237100； 3.合肥中辰輕工機(jī)械有限公司，安徽 合肥 230601)

啤酒巴氏殺菌機(jī)噴淋水的溫度是影響啤酒口味和質(zhì)量的關(guān)鍵因素,因此需要建立啤酒殺菌強(qiáng)度PU值與噴淋嘴溫度之間的聯(lián)系。文章首先根據(jù)熱力學(xué)理論建立噴淋嘴溫度與啤酒溫度之間的數(shù)學(xué)模型;然后建立以啤酒實(shí)際PU值與理論P(yáng)U值相差最小為優(yōu)化目標(biāo)、殺菌機(jī)的工藝要求等為約束條件、殺菌機(jī)的各溫區(qū)設(shè)定溫度為變量的目標(biāo)優(yōu)化模型;開(kāi)發(fā)了基于OpenGL和Excel的智能化啤酒殺菌PU控制軟件,并成功地應(yīng)用于隧道式啤酒殺菌機(jī)系統(tǒng)中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該文提出的理論模型正確,開(kāi)發(fā)的軟件能有效地根據(jù)理想PU值控制殺菌機(jī)各個(gè)溫區(qū)噴淋嘴溫度,達(dá)到理想的啤酒殺菌度。

隧道殺菌機(jī);VC++語(yǔ)言;PU值;啤酒殺菌;熱傳導(dǎo)

0 引 言

啤酒產(chǎn)品是目前比較火熱的低酒精度酒水,為了迎合消費(fèi)者的需求,啤酒研究者從最初啤酒的制成過(guò)程出發(fā),力求獲得理想產(chǎn)品[1-2]。巴氏滅菌是一般飲料生產(chǎn)過(guò)程中常見(jiàn)的一道工序。經(jīng)過(guò)巴氏滅菌處理后,飲料中的有害細(xì)菌被殺滅,可使產(chǎn)品保質(zhì)期延長(zhǎng)。關(guān)于各種不同飲料的巴氏滅菌工藝,國(guó)內(nèi)外已有一些文獻(xiàn)報(bào)道[3-7]。對(duì)啤酒產(chǎn)品而言,殺菌過(guò)程是不可缺少的,并且殺菌過(guò)程的溫度對(duì)質(zhì)量的影響重大。溫度過(guò)高,會(huì)使啤酒中含有的高分子蛋白質(zhì)凝固析出,形成一絲絲的絮狀物,并且還會(huì)加劇氧對(duì)啤酒成分的氧化作用,使啤酒產(chǎn)生澀味與老化味,同時(shí)使啤酒顏色變深;另外,高溫還會(huì)使二氧化碳大量放出,瓶?jī)?nèi)壓力急劇升高,易引起瓶子爆裂。而殺菌溫度過(guò)低,達(dá)不到殺菌效果,會(huì)引起生物混濁，因此殺菌過(guò)程的溫度控制很關(guān)鍵。目前人們對(duì)啤酒的品質(zhì)、風(fēng)味的追求越來(lái)越高,這就要求殺菌機(jī)在PU值的控制精度上越來(lái)越準(zhǔn)確,但是目前的普通殺菌機(jī)都無(wú)法滿足這一要求[8-9]。

本文主要研究根據(jù)所設(shè)定的啤酒理想的殺菌強(qiáng)度PU值,反過(guò)來(lái)求取合適的殺菌機(jī)各溫區(qū)的噴淋嘴溫度設(shè)定值,而該溫度設(shè)定值主要依靠人工經(jīng)驗(yàn)給定,缺乏理論指導(dǎo)并且難以根據(jù)實(shí)際工況變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整;在保證啤酒質(zhì)量的前提下,若使得殺菌過(guò)程中啤酒最終的PU理論值與理想值相差最小,則需要建立啤酒溫度與噴淋嘴溫度之間的關(guān)聯(lián)模型。本文在VC++環(huán)境下,采用OpenGL和Excel開(kāi)發(fā)了啤酒殺菌PU控制軟件[10-11],在正常狀態(tài)下,建立隧道式殺菌機(jī)噴淋嘴溫度與啤酒溫度之間的數(shù)學(xué)模型,對(duì)噴淋嘴溫度設(shè)定值求解優(yōu)化,提供噴淋嘴設(shè)定值的參考值,從而保證實(shí)際啤酒質(zhì)量的偏差在允許范圍之內(nèi)。

1 隧道式殺菌機(jī)數(shù)學(xué)模型

本文分析的啤酒殺菌過(guò)程為啤酒由進(jìn)到出經(jīng)歷了編號(hào)為1～n共10個(gè)不同水溫噴淋換熱區(qū),其中前7區(qū)為噴淋加熱,后3區(qū)為噴淋冷卻。從網(wǎng)絡(luò)特征來(lái)看,這10個(gè)區(qū)包括3個(gè)加熱冷卻循環(huán)和4個(gè)加熱循環(huán),從產(chǎn)品進(jìn)至產(chǎn)品出換熱區(qū)依次編號(hào)為1 ～n。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,既使是在同一個(gè)殺菌機(jī)相同的各個(gè)溫區(qū)噴淋嘴溫度設(shè)置值,由于不同的啤酒瓶瓶型、啤酒濃度、環(huán)境等都可能造成最終的啤酒PU值不同。為了解決這一問(wèn)題,需要建立殺菌機(jī)噴淋嘴溫度設(shè)定值與啤酒瓶瓶型、環(huán)境、PU值之間的關(guān)系,以實(shí)現(xiàn)根據(jù)啤酒瓶瓶型、環(huán)境、PU值反過(guò)來(lái)求取殺菌機(jī)各個(gè)溫區(qū)噴淋嘴的設(shè)定溫度。

1.1 隧道式殺菌機(jī)啤酒質(zhì)量數(shù)學(xué)模型

衡量隧道式啤酒殺菌機(jī)效果最為重要的參數(shù)為殺菌之后的啤酒最高溫度、啤酒PU值以及啤酒產(chǎn)量,其中啤酒最高溫度和啤酒PU值是經(jīng)過(guò)殺菌機(jī)之后啤酒質(zhì)量的重要參數(shù)。要建立啤酒質(zhì)量數(shù)學(xué)模型也就是需要建立啤酒溫度、啤酒PU值與殺菌機(jī)噴淋嘴溫度之間的關(guān)系。

對(duì)于隧道式殺菌系統(tǒng)可以將其劃分為N個(gè)立體單元,每個(gè)立體單元包含3個(gè)系統(tǒng)[12]:① 由噴淋嘴產(chǎn)生的空氣/水霧系統(tǒng);② 瓶子系統(tǒng);③ 水系統(tǒng)。3個(gè)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 3個(gè)系統(tǒng)示意圖

1.1.1 水霧系統(tǒng)熱力學(xué)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)圖1以及熱力學(xué)第一定律,可得空氣/水霧系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)公式為:

(1)

第i個(gè)VE內(nèi)系統(tǒng)1與外界環(huán)境之間的傳熱速率可以計(jì)算為:

(2)

其中,T∞為外部環(huán)境溫度;Uw,i為空氣/水霧與環(huán)境之間的傳熱系數(shù),即

(3)

其中,kw為壁材料的熱傳導(dǎo)系數(shù);δw為壁厚;kins為絕燃材料的熱傳導(dǎo)系數(shù);δ為絕燃材料的壁厚;h∞為隧道壁外的對(duì)流傳熱系數(shù);hint為空氣/水霧與墻之間的對(duì)流傳熱系數(shù)。

(4)

(5)

其中,ρf為空氣/水霧密度;As為隧道的垂直面積,由空氣/水霧所占的體積決定。若i=1,則mi-1=mn;若i=n,則mi+1=m1。

VE之間的空氣/水霧流的水平速度ui可用二維域的連續(xù)性方程分析估計(jì)得到，即

(6)

其中,v為在垂直方向的空氣/水霧速度。

(7)

(8)

另外,系統(tǒng)1與系統(tǒng)2之間的傳熱速率可以計(jì)算為:

(9)

其中,Ab為一個(gè)VE里的總外部表面積;Tb,i為內(nèi)部瓶子溫度;αi為空氣/水霧和瓶子之間的對(duì)流傳導(dǎo)系數(shù)。

1.1.2 瓶子系統(tǒng)熱力學(xué)模型

(1) 啤酒瓶總的傳熱分析。對(duì)于瓶子系統(tǒng),其熱傳導(dǎo)公式根據(jù)熱力學(xué)第一定律可得:

(10)

其中,c為整個(gè)瓶子的熱傳導(dǎo)系數(shù);mb,i為裝了啤酒的啤酒瓶總質(zhì)量。

(2) 啤酒瓶?jī)?nèi)部傳熱分析。一啤酒瓶突然放入隧道式殺菌機(jī)中加熱,啤酒瓶受殺菌機(jī)內(nèi)噴淋嘴噴淋的水霧環(huán)境的加熱作用,通過(guò)熱傳導(dǎo)作用其熱量從啤酒瓶外表面向啤酒瓶中心隨時(shí)間逐步擴(kuò)散直至穩(wěn)定,其內(nèi)能也逐漸增加。啤酒瓶加熱過(guò)程的溫度變化情況如圖2所示。

圖2 啤酒瓶加熱過(guò)程示意圖

由圖2可知,當(dāng)τ=0時(shí),啤酒瓶處于均勻的溫度t=t0下,隨著時(shí)間τ的增加啤酒瓶溫度開(kāi)始變化,而后中心溫度也逐步升高;當(dāng)τ→∞時(shí),啤酒瓶溫度將與環(huán)境溫度拉平,非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程結(jié)束。圖2中溫度分布曲線是用相同的Δτ來(lái)描繪的。根據(jù)熱力學(xué)定義得出，當(dāng)物體系統(tǒng)的外熱阻遠(yuǎn)大于它的內(nèi)熱阻時(shí),環(huán)境與物體表面間的溫度變化遠(yuǎn)大于物體內(nèi)的溫度變化,可以認(rèn)為物體內(nèi)的溫度分布幾乎是均勻一致的。因此可以忽略物體內(nèi)熱阻。而啤酒瓶屬于薄壁件,其內(nèi)部熱阻?外部熱阻,根據(jù)熱力學(xué)定律的計(jì)算非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的海斯勒線算圖[13],啤酒在殺菌機(jī)系統(tǒng)內(nèi)升溫和降溫的計(jì)算過(guò)程如下。

啤酒瓶在殺菌機(jī)里升溫示意圖如圖3所示。

圖3 啤酒瓶在殺菌機(jī)里的系統(tǒng)示意圖

(11)

因?yàn)槲矬w的內(nèi)部熱阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于外部熱阻,內(nèi)部熱阻可以忽略,則溫度與坐標(biāo)無(wú)關(guān),所以(11)式中溫度的二階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)2t為0,則該式轉(zhuǎn)化為:

(12)

(13)

將(13)式整理代入(12)式中,可以得到:

(14)

初始條件為τ=0、T=Tb，0。引入過(guò)余溫度方程θ=Tb,i-Ti和初始條件,則有:

(15)

分離變量積分并代入初始條件得出:

(16)

因此有:

(17)

其中,Tb,0為初始溫度。

可見(jiàn)物體溫度隨時(shí)間的推移逐步趨于環(huán)境溫度,這是符合物體冷卻過(guò)程規(guī)律的。

1.1.3 水系統(tǒng)熱力學(xué)數(shù)學(xué)模型

對(duì)于水系統(tǒng),其熱傳導(dǎo)公式根據(jù)圖2和熱力學(xué)第一定律可得:

(18)

2 啤酒PU值控制軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)建立的啤酒殺菌過(guò)程數(shù)學(xué)模型,在VS2010開(kāi)發(fā)環(huán)境中用C++語(yǔ)言編寫啤酒巴氏殺菌機(jī)的PU控制噴淋嘴溫度控制中心軟件。系統(tǒng)生成啤酒溫度值、啤酒PU值以及噴淋嘴設(shè)定溫度值的過(guò)程為:通過(guò)人機(jī)交互界面,輸入啤酒瓶的參數(shù)、殺菌機(jī)各區(qū)參數(shù)、殺菌機(jī)實(shí)時(shí)理論P(yáng)U值、殺菌機(jī)運(yùn)行參數(shù),根據(jù)啤酒殺菌工藝模塊算法,經(jīng)過(guò)計(jì)算、處理自動(dòng)生成與啤酒PU值對(duì)應(yīng)的殺菌機(jī)各區(qū)噴淋嘴溫度設(shè)定值，并且伴隨著繪制出啤酒理論溫度、啤酒理論P(yáng)U值。啤酒PU控制系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)流向如圖4所示。

圖4 啤酒PU控制系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)流向圖

3 系統(tǒng)軟件測(cè)試

為了測(cè)試軟件的運(yùn)行情況,測(cè)試不同參數(shù)設(shè)置下啤酒的理論溫度曲線、理論P(yáng)U值曲線,實(shí)際溫度曲線以及實(shí)際的PU值曲線。

3.1 測(cè)試不同啤酒瓶參數(shù)下軟件運(yùn)行情況

為了滿足使用的需求，將常用的幾種啤酒瓶參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，只改變啤酒瓶參數(shù)，不改變殺菌機(jī)各溫區(qū)參數(shù)以及殺菌機(jī)運(yùn)行參數(shù)等，進(jìn)行了以下3種不同啤酒瓶實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2、實(shí)驗(yàn)3中所采取的啤酒瓶參數(shù)見(jiàn)表1所列。

實(shí)驗(yàn)1中啤酒廠家為ABC；實(shí)驗(yàn)2中啤酒廠家為ANCHOR；實(shí)驗(yàn)3中啤酒廠家為Heineken。3個(gè)實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的理想PU值均為10，由啤酒PU值控制軟件計(jì)算啤酒理論溫度曲線以及啤酒理論P(yáng)U值曲線，然后由該軟件根據(jù)PU值反算出各個(gè)溫區(qū)的噴淋嘴溫度設(shè)定值。限于篇幅，本文只列出實(shí)驗(yàn)1運(yùn)行結(jié)果，如圖5所示，3個(gè)實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表2所列。

表1 3種不同的啤酒瓶實(shí)驗(yàn)參數(shù)

由表2可知，同一殺菌機(jī)中使用3組不同的啤酒瓶參數(shù)會(huì)導(dǎo)致殺菌機(jī)各個(gè)溫區(qū)噴淋嘴溫度設(shè)定值不同,并且啤酒瓶參數(shù)越小在保溫區(qū)的噴淋嘴溫度設(shè)定值越偏高,這是由于啤酒瓶越小表面積越小,其吸收熱量的速率降低,為了滿足PU值不變,則需要將相應(yīng)溫區(qū)的噴淋嘴溫度調(diào)高,這也符合(17)式的推導(dǎo)。

圖5 實(shí)驗(yàn)1的啤酒理論溫度曲線和理論P(yáng)U值曲線

表2 不同啤酒瓶參數(shù)下各溫區(qū)噴淋嘴溫度設(shè)定值 ℃

3.2 軟件實(shí)際運(yùn)行情況

將本文設(shè)計(jì)的噴淋嘴設(shè)定溫度控制軟件應(yīng)用于某型號(hào)殺菌機(jī)中,用該軟件根據(jù)所給的PU值計(jì)算出對(duì)應(yīng)的噴淋嘴溫度,指導(dǎo)殺菌機(jī)各溫區(qū)噴淋嘴的冷水閥口、熱蒸汽閥口的開(kāi)啟和關(guān)閉。

實(shí)驗(yàn)中對(duì)3個(gè)啤酒瓶進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。3個(gè)啤酒瓶里各插入一個(gè)PU記錄儀,如圖6所示。

每隔10 s記錄一次溫度,最后將記錄儀的數(shù)據(jù)導(dǎo)出,結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知,本文軟件能正確指導(dǎo)殺菌機(jī)的運(yùn)行,所設(shè)定的各區(qū)溫度能使啤酒溫度滿足要求(達(dá)到60 ℃以上),而且PU值也能滿足要求,證明了本文推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型的正確性。

圖6 實(shí)驗(yàn)中啤酒瓶里插入PU測(cè)試計(jì)

圖7 實(shí)驗(yàn)中采集的各個(gè)啤酒溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

本文針對(duì)以往依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)定殺菌機(jī)各個(gè)溫區(qū)噴淋嘴溫度值的不足,根據(jù)熱力學(xué)定律構(gòu)建殺菌機(jī)殺菌過(guò)程中的數(shù)學(xué)模型;在此基礎(chǔ)上提出了一種基于理論啤酒PU值反過(guò)來(lái)設(shè)定殺菌機(jī)各溫區(qū)噴淋嘴設(shè)定溫度的控制策略,實(shí)現(xiàn)了啤酒殺菌生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化，代替了以往依靠經(jīng)驗(yàn)的設(shè)定殺菌機(jī)各個(gè)溫區(qū)噴淋嘴溫度值;結(jié)合VC++將所構(gòu)建的啤酒殺菌過(guò)程數(shù)學(xué)模型編制為啤酒PU控制智能化軟件,最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的基于VC++的啤酒殺菌機(jī)PU控制軟件可以對(duì)殺菌過(guò)程實(shí)行自動(dòng)化控制,使啤酒殺菌后滿足質(zhì)量的要求。

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Thermalanalysisofbeerpasteurizationmachineandintelligentsettingofspraynozzletemperature

YANG Qingyan1,2,ZHANG Ke3

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China; 2.Postdoctoral Workstation,Lu’an Hengyuan Machinery Co., Ltd., Lu’an 237100, China; 3.Hefei Zhongchen Light Industrial Machinery Co., Ltd., Hefei 230601, China)

Spray water temperature of beer pasteurization machine is the key factor affecting the quality and taste of the beer. Therefore, it is necessary to establish the relationship between the value of beer sterilizing degree(PU) and the temperature of spray nozzle. Firstly, according to the theory of thermodynamics, the mathematical model between spray nozzle temperature and beer temperature is established. Then the objective optimization model is established in which the minimum difference between beer actual PU value and theoretical PU value is regarded as the optimization objective, the technological requirements of sterilization machine as the constraint condition, and the set temperature in each temperature zone of sterilization machine as variables. The intelligent beer sterilization PU control software based on OpenGL and Excel is developed and successfully applied in tunnel type beer sterilization machine system. Experimental results show that the proposed theoretical model is correct, and the software can effectively control the spray nozzle temperature in each temperature zone of sterilization machine according to the ideal PU value so as to achieve the ideal beer sterilizing degree.

tunnel type sterilization machine; VC++ language; sterilizing degree(PU) value; beer sterilization; heat conduction

2016-03-22；

2016-05-31

安徽省科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(16030901016)；安徽建筑大學(xué)校引進(jìn)人才及博士啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(2016-108)

楊清艷(1987-),女,重慶永川人,博士,安徽建筑大學(xué)講師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.11.004

TK121

A

1003-5060(2017)11-1458-06

(責(zé)任編輯 胡亞敏)