全自動在線清洗系統(tǒng)(cip)設計要點淺析

1、全自動CIP系統(tǒng)設計要點淺析一、前言作為啤酒、飲料包裝生產(chǎn)線上的輔助設備，CIP系統(tǒng)提供了對灌裝機進行原 位清洗的功能，隨著包裝生產(chǎn)線產(chǎn)量和自動化程度的不斷提高。全自動CIP系統(tǒng) 逐漸被越來越多的啤酒廠家所認識和接受，大有取代舊式手動 CIP系統(tǒng)之勢。但 到目前為止，全自動CIP系統(tǒng)的設計多憑經(jīng)驗，無系統(tǒng)規(guī)范的設計規(guī)程。作為多年 從事CIP系統(tǒng)開發(fā)設計的工程人員，筆者在此對全自動CIP系統(tǒng)的基本設計要點 進行了較為全面的收集和闡述，希望能為以后 CIP系統(tǒng)的規(guī)范化設計提供參考 依據(jù)。二、全自動CIP系統(tǒng)簡介與手動CIP系統(tǒng)相比，全自動CIP系統(tǒng)主要是通過使用大量氣動控制閥門 代替手動閥門，并配

2、合使用溫度、電導率等控制儀表，通過PLC集中編程，從而實 現(xiàn)清洗液自動調配，并根據(jù)設定工藝對灌裝機進行自動清洗的功能。全自動 CIP 系統(tǒng)有較為便利的操作界面，操作比較方便，但由于制造成本較高，比較適合用于 清洗產(chǎn)量較大的灌裝機。目前全自動 CIP系統(tǒng)較多應用于啤酒包裝生產(chǎn)線。 三、設計要點：1 .清洗泵流量的確定：在CIP清洗過程中，灌裝機儲液缸內的流動狀態(tài)可以用雷諾數(shù)公式Re= R?u?p / a 來表小，式中 Re 一一儲液缸內清洗液的雷諾數(shù)；R 儲液缸的水力半徑，mfu 儲液缸內清洗液的平均流速，m/s；清洗液的密度，kg/m3;-液體的動力粘度，Pa?s為獲得較好的清洗效果，清洗液不

3、僅在儲液缸內須形成湍流狀態(tài)，而且雷諾數(shù)要 遠遠高于臨界雷諾數(shù)4000,才能通過清洗液流動質點的不規(guī)則脈動和切向運動 較好的除去附著在內壁上的污垢。實驗證明，對于矩形缸體，清洗液的雷諾數(shù) Re須大于7500。對于截面尺寸為axb的矩形缸體，其水力半徑為截面積與濕潤周邊長度之比， 即R=0.5?a?b/ (a + b) 式中a , b矩形缸體截面尺寸，m由于流量為流速與流道截面積之積，故對于矩形缸體，具體關系式可表述為 0= 3600?u?a?b或 u=Q7(3600 Xax b) 式中 Q 一流量，m3/ h;將公式和公式代入公式中，可得出 0=7200?Re?N ?(a + b) / p 例如

4、，對于截面尺寸為260X170的矩形缸體，若清洗液的密度p取近似值1000 kg/m3,清洗液的動力粘度 以取近似值1.307 X 10-3 Pa?s,雷諾數(shù)Re取7500, WJ 將 a = 0.26m, b=0.17m, p = 1000 kg/m3 , = 1.307 X 10-3 Pa?s 代入公式 中，即可求得Q = 30.3 m3/ h ,考慮安全系數(shù)1.15 ,則清洗液的流量可取為 35 m3/ h 。2 .清洗管徑的確定在清洗泵流量確定的情況下，若管徑選取得太大，則有可能造成浪費，不僅管道的 投資費用增加，特別是在管道較長的情況下，而且由于管道中容納的清洗液增多，使 得罐體的有

5、效容積需要相應增大，從而使得整體制造成本增加許多；相反，若管徑選 取得太小，則在清洗過程中，清洗液在管道內的動力損耗可能會大大增加，為保證 灌裝機儲液缸內清洗壓力不變，從而需要增加清洗泵的揚程，否則儲液缸內的壓力 會明顯不足，進而影響清洗效果。所以，清洗管徑的設置須綜合考慮管道投資費用和 動力損耗兩方面的因素，選擇最經(jīng)濟有效的管徑。實際工作中，對于碳鋼管，經(jīng)濟管 徑可用下式來計算：D= 282G0.52 p -0.37 式中，D經(jīng)濟管徑，mmG質量流量，kg/s ,色-密度，kg/m3例如，若清洗液流量Q為30 m3/ h ,清洗液密度p取近似值1000 kg/m3 ,則首 先可求得清洗液的質

6、量流量 G = Q?p /3600= 30X 1000/3600 kg/s =8.33 kg/s , 然后再將G = 8.33 kg/s , p = 1000 kg/m3代入公式中即可求得經(jīng)濟管徑D= 58 mm最后按所選衛(wèi)生鋼管的標準選取與經(jīng)濟管徑相接近的管徑即可。例如， 對于DIN標準的衛(wèi)生鋼管，可選用DN65(70X2)的規(guī)格。3 .清洗泵揚程的確定確定了清洗泵的流量和清洗管的管徑后，則可計算出一定流量的清洗液在流經(jīng)一定 管徑的直管段和灌裝機的儲液缸時產(chǎn)生的沿程阻力損失，及流經(jīng)各閥門、彎頭、三通 等元件時產(chǎn)生的局部阻力損失，求出以上三種阻力損失之和再乘以一定的安全系數(shù)， 即可得到所需清洗

7、泵的揚程。對于圓型直管沿程阻力損失，可用范寧公式APf =入？l/d? p ?u2/2 來計算，式中，APf 一沿程阻力損失，Pa, 磨擦系數(shù)，l管 長，m,d管徑，m, -密度，kg/m3 u 清洗液的平均流 速，m/s；對于儲液缸內的沿程阻力損失，也可用范寧公式來計算，但須以儲液缸截面的 當量直徑de代替管徑d,管長l建議取儲液缸中心環(huán)面的周長。其中當量直徑 de等于四倍的水力半徑R,即de=4R對于局部阻力損失的計算，一般可采用兩種方法：阻力系數(shù)法和當量長度法。阻力系數(shù)法的計算公式為APf =(?u2/2 式中，(一一阻力系數(shù)。當量長度法的計算公式也為范寧公式，但須以管件的當量長度 le

8、代替管長l ° 下表為部分管件、閥門以管徑計的當量長度le/d和局部阻力系數(shù)（的參考值:4 .罐體有效容積的確定罐體有效容積即罐體出液口以上所容納清洗液的容量，此容積須大于管道內所能 容納的清洗液容積與灌裝機的儲液缸的容積之和，并且須有一定的儲備量，以防 止因清洗過程中灌裝閥處泄漏造成清洗液的用量不足，影響清洗效果，甚至造成 清洗泵的空轉。一般情況下，罐體有效容積越大越好，但有效容積過大，會造成 罐體制造成本的增加，因此根據(jù)實際情況須計算出經(jīng)濟合理的有效容積。5 .換熱器的選擇手動CIP系統(tǒng)常用內置于罐體的蛇管加熱或直接通蒸汽加熱等加熱形式，這些加熱 形式的加熱面積小，傳熱系數(shù)低，加

9、熱時間較長，一般都在1個小時以上，且不 易拆卸。而全自動ClP系統(tǒng)一般選用傳熱面積大，傳熱系數(shù)高，結構緊湊，具有 可拆結構的板式換熱器。所選取板式換熱器的加熱時間一般可控制在30分鐘1個小時。6 . 管道布置全自動CIP系統(tǒng)的管道可布置成置于罐前的由管道及管支架等組成的固定框架結 構，且各手動閥門須布置在易操作的位置，各氣動閥門布置在易觀測、易檢修的位 置。在管道與閥門的配合設置中應盡量保證在系統(tǒng)不運行的情況下管道中無積水。 為了簡化與CIP系統(tǒng)相連接的管道配置，且便于CIP操作人員進行操作，CIP系 統(tǒng)可設計為統(tǒng)一進水，統(tǒng)一排水的結構。統(tǒng)一進水是指各罐體的注水、各罐體自清 洗時的進水等通過合

10、理的管道布置分別經(jīng)系統(tǒng)唯一的進水口進行統(tǒng)一進水。統(tǒng)一排 水是指清洗液在清洗過程中的排放、各罐體殘液的排放、管道較低管段積水的排放、 各罐體的溢流水排放等通過合理的管道布置分別經(jīng)系統(tǒng)唯一的排放口進行統(tǒng)一排放。 同時，在排放口管段上安裝一視鏡，可方便操作人員在使用過程中監(jiān)測殘液排放情況。7 .閥門設置全自動CIP系統(tǒng)的自動流程一般包括：自動調配清洗液（.包括自動注水、自 動加熱、自動添加濃堿液或濃酸液）、自動清洗灌裝機儲液缸（包括清水清洗、熱水 清洗、熱堿清洗、酸液清洗）、自動清洗系統(tǒng)自身管道、自動清洗 CIP系統(tǒng)與轉 換板之間的管道等。在上述自動流程中，清洗液流經(jīng)的管道上除轉換板上的閥門 通常設

11、為手動閥門外，其余閥門均須設置為氣動閥門。在設計過程中，考慮到成本因素，由于各罐體的自清洗、殘液排放、管道積水排 放等流程使用頻率不高，無須自動化，一般可設為手動操作，具相關的操作閥門 則可設置為手動閥門。出于安裝和檢修的需要，在統(tǒng)一進水口、統(tǒng)一排放口、蒸汽進汽口、冷凝水排 放口均須設置一手動閥門。例如：在蒸汽管道上可使用密封性能較好的柱塞閥，冷凝水管道上可使用截止 閥，進出水管道上可使用手動蝶閥或球閥。8 .控制元件設置1）溫度控制元件：由于板式換熱器的加熱速度較快，在換熱器的出口管段上通 常須安裝一溫度傳感器，以實時測量加熱后的水溫，并輸出信號控制蒸汽管道上 的氣動調節(jié)閥，自動調節(jié)蒸汽流量

12、，以控制加熱速度，并確保加熱后的水溫不超過 設定的清洗溫度。2）濃度控制元件：濃堿液或濃酸液的添加可通過氣動隔膜泵來實現(xiàn)，由于添加 量比較少，添加時間較短，這一過程可安排在清洗液循環(huán)加熱的過程中進行。在回 流管段上安裝一電導率傳感器，可實時測量濃縮液添加過程中清洗液的濃度,并輸出信號控制氣動泵的啟停，從而確保清洗液的濃度達到設定的清洗濃度。3）液位控制元件：罐體上高、低液位通常須分別設置液位檢測裝置，用于控制 罐體的高、低液位，防止管內水溢流及離心泵的空轉。一般可通過在高、低液位分 別安裝一液位傳感器的形式來實現(xiàn)。若罐體容積較大、罐身較高，則可考慮增加 一中間液位傳感器，用于在所需清洗液用量不大的情況，如在調配用于酸洗管道 用的酸液時。若CIP用戶需直觀看到罐體內液位的情況，且需要隨意調節(jié)檢測液 位的高度，則可選用磁浮子液位計的形式。4）氣動閥門開關檢測：全自動CIP系統(tǒng)中，由于氣動閥門數(shù)量較多，控制程序 較為復雜，每個氣動閥門上須安裝開關檢測裝置，以實時監(jiān)測閥門的開關情況， 便于在出現(xiàn)閥門故障時及時停止相關程序的運行，同時可將出現(xiàn)故障的閥門指示 在操作界面上，便于人