啤酒巴氏灭菌机热分析及喷嘴温度设定

杨清艳，张 科

(1. 安徽建筑大学 机械与电气工程学院，安徽 合肥 230601； 2.安徽省六安恒源机械有限公司 博士后工作站，安徽 六安 237100； 3.合肥中辰轻工机械有限公司，安徽 合肥 230601)

啤酒巴氏灭菌机热分析及喷嘴温度设定

杨清艳1,2，张 科3

(1. 安徽建筑大学 机械与电气工程学院，安徽 合肥 230601； 2.安徽省六安恒源机械有限公司 博士后工作站，安徽 六安 237100； 3.合肥中辰轻工机械有限公司，安徽 合肥 230601)

啤酒巴氏杀菌机喷淋水的温度是影响啤酒口味和质量的关键因素,因此需要建立啤酒杀菌强度PU值与喷淋嘴温度之间的联系。文章首先根据热力学理论建立喷淋嘴温度与啤酒温度之间的数学模型;然后建立以啤酒实际PU值与理论PU值相差最小为优化目标、杀菌机的工艺要求等为约束条件、杀菌机的各温区设定温度为变量的目标优化模型;开发了基于OpenGL和Excel的智能化啤酒杀菌PU控制软件,并成功地应用于隧道式啤酒杀菌机系统中。实验结果表明,该文提出的理论模型正确,开发的软件能有效地根据理想PU值控制杀菌机各个温区喷淋嘴温度,达到理想的啤酒杀菌度。

隧道杀菌机;VC++语言;PU值;啤酒杀菌;热传导

0 引 言

啤酒产品是目前比较火热的低酒精度酒水,为了迎合消费者的需求,啤酒研究者从最初啤酒的制成过程出发,力求获得理想产品[1-2]。巴氏灭菌是一般饮料生产过程中常见的一道工序。经过巴氏灭菌处理后,饮料中的有害细菌被杀灭,可使产品保质期延长。关于各种不同饮料的巴氏灭菌工艺,国内外已有一些文献报道[3-7]。对啤酒产品而言,杀菌过程是不可缺少的,并且杀菌过程的温度对质量的影响重大。温度过高,会使啤酒中含有的高分子蛋白质凝固析出,形成一丝丝的絮状物,并且还会加剧氧对啤酒成分的氧化作用,使啤酒产生涩味与老化味,同时使啤酒颜色变深;另外,高温还会使二氧化碳大量放出,瓶内压力急剧升高,易引起瓶子爆裂。而杀菌温度过低,达不到杀菌效果,会引起生物混浊，因此杀菌过程的温度控制很关键。目前人们对啤酒的品质、风味的追求越来越高,这就要求杀菌机在PU值的控制精度上越来越准确,但是目前的普通杀菌机都无法满足这一要求[8-9]。

本文主要研究根据所设定的啤酒理想的杀菌强度PU值,反过来求取合适的杀菌机各温区的喷淋嘴温度设定值,而该温度设定值主要依靠人工经验给定,缺乏理论指导并且难以根据实际工况变化进行实时调整;在保证啤酒质量的前提下,若使得杀菌过程中啤酒最终的PU理论值与理想值相差最小,则需要建立啤酒温度与喷淋嘴温度之间的关联模型。本文在VC++环境下,采用OpenGL和Excel开发了啤酒杀菌PU控制软件[10-11],在正常状态下,建立隧道式杀菌机喷淋嘴温度与啤酒温度之间的数学模型,对喷淋嘴温度设定值求解优化,提供喷淋嘴设定值的参考值,从而保证实际啤酒质量的偏差在允许范围之内。

1 隧道式杀菌机数学模型

本文分析的啤酒杀菌过程为啤酒由进到出经历了编号为1～n共10个不同水温喷淋换热区,其中前7区为喷淋加热,后3区为喷淋冷却。从网络特征来看,这10个区包括3个加热冷却循环和4个加热循环,从产品进至产品出换热区依次编号为1 ～n。在实际生产过程中,既使是在同一个杀菌机相同的各个温区喷淋嘴温度设置值,由于不同的啤酒瓶瓶型、啤酒浓度、环境等都可能造成最终的啤酒PU值不同。为了解决这一问题,需要建立杀菌机喷淋嘴温度设定值与啤酒瓶瓶型、环境、PU值之间的关系,以实现根据啤酒瓶瓶型、环境、PU值反过来求取杀菌机各个温区喷淋嘴的设定温度。

1.1 隧道式杀菌机啤酒质量数学模型

衡量隧道式啤酒杀菌机效果最为重要的参数为杀菌之后的啤酒最高温度、啤酒PU值以及啤酒产量,其中啤酒最高温度和啤酒PU值是经过杀菌机之后啤酒质量的重要参数。要建立啤酒质量数学模型也就是需要建立啤酒温度、啤酒PU值与杀菌机喷淋嘴温度之间的关系。

对于隧道式杀菌系统可以将其划分为N个立体单元,每个立体单元包含3个系统[12]:① 由喷淋嘴产生的空气/水雾系统;② 瓶子系统;③ 水系统。3个系统如图1所示。

图1 3个系统示意图

1.1.1 水雾系统热力学数学模型

根据图1以及热力学第一定律,可得空气/水雾系统的热传导公式为:

(1)

第i个VE内系统1与外界环境之间的传热速率可以计算为:

(2)

其中,T∞为外部环境温度;Uw,i为空气/水雾与环境之间的传热系数,即

(3)

其中,kw为壁材料的热传导系数;δw为壁厚;kins为绝燃材料的热传导系数;δ为绝燃材料的壁厚;h∞为隧道壁外的对流传热系数;hint为空气/水雾与墙之间的对流传热系数。

(4)

(5)

其中,ρf为空气/水雾密度;As为隧道的垂直面积,由空气/水雾所占的体积决定。若i=1,则mi-1=mn;若i=n,则mi+1=m1。

VE之间的空气/水雾流的水平速度ui可用二维域的连续性方程分析估计得到，即

(6)

其中,v为在垂直方向的空气/水雾速度。

(7)

(8)

另外,系统1与系统2之间的传热速率可以计算为:

(9)

其中,Ab为一个VE里的总外部表面积;Tb,i为内部瓶子温度;αi为空气/水雾和瓶子之间的对流传导系数。

1.1.2 瓶子系统热力学模型

(1) 啤酒瓶总的传热分析。对于瓶子系统,其热传导公式根据热力学第一定律可得:

(10)

其中,c为整个瓶子的热传导系数;mb,i为装了啤酒的啤酒瓶总质量。

(2) 啤酒瓶内部传热分析。一啤酒瓶突然放入隧道式杀菌机中加热,啤酒瓶受杀菌机内喷淋嘴喷淋的水雾环境的加热作用,通过热传导作用其热量从啤酒瓶外表面向啤酒瓶中心随时间逐步扩散直至稳定,其内能也逐渐增加。啤酒瓶加热过程的温度变化情况如图2所示。

图2 啤酒瓶加热过程示意图

由图2可知,当τ=0时,啤酒瓶处于均匀的温度t=t0下,随着时间τ的增加啤酒瓶温度开始变化,而后中心温度也逐步升高;当τ→∞时,啤酒瓶温度将与环境温度拉平,非稳态导热过程结束。图2中温度分布曲线是用相同的Δτ来描绘的。根据热力学定义得出，当物体系统的外热阻远大于它的内热阻时,环境与物体表面间的温度变化远大于物体内的温度变化,可以认为物体内的温度分布几乎是均匀一致的。因此可以忽略物体内热阻。而啤酒瓶属于薄壁件,其内部热阻≪外部热阻,根据热力学定律的计算非稳态导热的海斯勒线算图[13],啤酒在杀菌机系统内升温和降温的计算过程如下。

啤酒瓶在杀菌机里升温示意图如图3所示。

图3 啤酒瓶在杀菌机里的系统示意图

(11)

因为物体的内部热阻远远小于外部热阻,内部热阻可以忽略,则温度与坐标无关,所以(11)式中温度的二阶导数项2t为0,则该式转化为:

(12)

(13)

将(13)式整理代入(12)式中,可以得到:

(14)

初始条件为τ=0、T=Tb，0。引入过余温度方程θ=Tb,i-Ti和初始条件,则有:

(15)

分离变量积分并代入初始条件得出:

(16)

因此有:

(17)

其中,Tb,0为初始温度。

可见物体温度随时间的推移逐步趋于环境温度,这是符合物体冷却过程规律的。

1.1.3 水系统热力学数学模型

对于水系统,其热传导公式根据图2和热力学第一定律可得:

(18)

2 啤酒PU值控制软件设计

根据建立的啤酒杀菌过程数学模型,在VS2010开发环境中用C++语言编写啤酒巴氏杀菌机的PU控制喷淋嘴温度控制中心软件。系统生成啤酒温度值、啤酒PU值以及喷淋嘴设定温度值的过程为:通过人机交互界面,输入啤酒瓶的参数、杀菌机各区参数、杀菌机实时理论PU值、杀菌机运行参数,根据啤酒杀菌工艺模块算法,经过计算、处理自动生成与啤酒PU值对应的杀菌机各区喷淋嘴温度设定值，并且伴随着绘制出啤酒理论温度、啤酒理论PU值。啤酒PU控制系统软件数据流向如图4所示。

图4 啤酒PU控制系统软件数据流向图

3 系统软件测试

为了测试软件的运行情况,测试不同参数设置下啤酒的理论温度曲线、理论PU值曲线,实际温度曲线以及实际的PU值曲线。

3.1 测试不同啤酒瓶参数下软件运行情况

为了满足使用的需求，将常用的几种啤酒瓶参数进行实验，只改变啤酒瓶参数，不改变杀菌机各温区参数以及杀菌机运行参数等，进行了以下3种不同啤酒瓶实验。

实验1、实验2、实验3中所采取的啤酒瓶参数见表1所列。

实验1中啤酒厂家为ABC；实验2中啤酒厂家为ANCHOR；实验3中啤酒厂家为Heineken。3个实验中设定的理想PU值均为10，由啤酒PU值控制软件计算啤酒理论温度曲线以及啤酒理论PU值曲线，然后由该软件根据PU值反算出各个温区的喷淋嘴温度设定值。限于篇幅，本文只列出实验1运行结果，如图5所示，3个实验的运行数据见表2所列。

表1 3种不同的啤酒瓶实验参数

由表2可知，同一杀菌机中使用3组不同的啤酒瓶参数会导致杀菌机各个温区喷淋嘴温度设定值不同,并且啤酒瓶参数越小在保温区的喷淋嘴温度设定值越偏高,这是由于啤酒瓶越小表面积越小,其吸收热量的速率降低,为了满足PU值不变,则需要将相应温区的喷淋嘴温度调高,这也符合(17)式的推导。

图5 实验1的啤酒理论温度曲线和理论PU值曲线

表2 不同啤酒瓶参数下各温区喷淋嘴温度设定值 ℃

3.2 软件实际运行情况

将本文设计的喷淋嘴设定温度控制软件应用于某型号杀菌机中,用该软件根据所给的PU值计算出对应的喷淋嘴温度,指导杀菌机各温区喷淋嘴的冷水阀口、热蒸汽阀口的开启和关闭。

实验中对3个啤酒瓶进行测试实验。3个啤酒瓶里各插入一个PU记录仪,如图6所示。

每隔10 s记录一次温度,最后将记录仪的数据导出,结果如图7所示。

由图7可知,本文软件能正确指导杀菌机的运行,所设定的各区温度能使啤酒温度满足要求(达到60 ℃以上),而且PU值也能满足要求,证明了本文推导的数学模型的正确性。

图6 实验中啤酒瓶里插入PU测试计

图7 实验中采集的各个啤酒温度实时数据

4 结 论

本文针对以往依靠经验来设定杀菌机各个温区喷淋嘴温度值的不足,根据热力学定律构建杀菌机杀菌过程中的数学模型;在此基础上提出了一种基于理论啤酒PU值反过来设定杀菌机各温区喷淋嘴设定温度的控制策略,实现了啤酒杀菌生产过程的自动化，代替了以往依靠经验的设定杀菌机各个温区喷淋嘴温度值;结合VC++将所构建的啤酒杀菌过程数学模型编制为啤酒PU控制智能化软件,最后进行实验验证。实验运行结果表明,本文设计的基于VC++的啤酒杀菌机PU控制软件可以对杀菌过程实行自动化控制,使啤酒杀菌后满足质量的要求。

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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

安徽省科技重大专项资助项目(16030901016)；安徽建筑大学校引进人才及博士启动基金资助项目(2016-108)

杨清艳(1987-),女,重庆永川人,博士,安徽建筑大学讲师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.11.004

TK121

A

1003-5060(2017)11-1458-06

(责任编辑 胡亚敏)