全自動(dòng)在線清洗系統(tǒng)cip設(shè)計(jì)要點(diǎn)淺析

1、全自動(dòng)CIP系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)淺析一、前言作為啤酒、飲料包裝生產(chǎn)線上的輔助設(shè)備，CIP系統(tǒng)提供了對(duì)灌裝機(jī)進(jìn)行原位清洗的功能，隨著包裝生產(chǎn)線產(chǎn)量和自動(dòng)化程度的不斷提高。全自動(dòng)CIP系統(tǒng)逐漸被越來越多的啤酒廠家所認(rèn)識(shí)和接受，大有取代舊式手動(dòng)CIP系統(tǒng)之勢。但到目前為止，全自動(dòng)CIP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)多憑經(jīng)驗(yàn)，無系統(tǒng)規(guī)范的設(shè)計(jì)規(guī)程。作為多年從事CIP系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)的工程人員，筆者在此對(duì)全自動(dòng)CIP系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)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(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。二、全自動(dòng)CIP系統(tǒng)簡介與手動(dòng)CIP系統(tǒng)相比，全自動(dòng)CIP系統(tǒng)主要是通過使用大量氣動(dòng)控制閥門代替手動(dòng)閥門，并配合使用溫度、電導(dǎo)率

2、等控制儀表，通過PLC集中編程，從而實(shí)現(xiàn)清洗液自動(dòng)調(diào)配，并根據(jù)設(shè)定工藝對(duì)灌裝機(jī)進(jìn)行自動(dòng)清洗的功能。全自動(dòng)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(jī)。目前全自動(dòng)CIP系統(tǒng)較多應(yīng)用于啤酒包裝生產(chǎn)線。三、設(shè)計(jì)要點(diǎn)：1 .清洗泵流量的確定：在CIP清洗過程中，灌裝機(jī)儲(chǔ)液缸內(nèi)的流動(dòng)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(chǔ)液缸內(nèi)清洗液的雷諾數(shù)；R儲(chǔ)液缸的水力半徑，mu儲(chǔ)液缸內(nèi)清洗液的平均流速，m/s；p清洗液的密度，kg/m3;-液體的動(dòng)力粘度，Pa?s為獲得較好的清洗效果，清洗液不僅在儲(chǔ)液缸內(nèi)須形成湍流狀態(tài)，而且雷諾數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高

3、于臨界雷諾數(shù)4000,才能通過清洗液流動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的不規(guī)則脈動(dòng)和切向運(yùn)動(dòng)較好的除去附著在內(nèi)壁上的污垢。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于矩形缸體，清洗液的雷諾數(shù)Re須大于7500。對(duì)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(duì)于矩形缸體，具體關(guān)系式可表述為0=3600?u?a?b或u=Q7(3600xaxb)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，對(duì)于截面尺寸為260X170的矩形缸體，若清洗液的密度p取近似值1000kg/m3,清洗液的動(dòng)力粘

4、度代取近似值1.307X10-3Pa?s,雷諾數(shù)Re取7500,WJ將a=0.26m,b=0.17m,p=1000kg/m3,1=1.307x10-3Pa?s代入公式中，即可求得Q=30.3m3/h,考慮安全系數(shù)1.15,則清洗液的流量可取為35m3/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(fèi)，不僅管道的投資費(fèi)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，使得罐體的有效容積需要相應(yīng)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(nèi)的動(dòng)力損耗可能會(huì)大大增加，為保證灌裝機(jī)儲(chǔ)液缸內(nèi)清洗壓力不變，從而

5、需要增加清洗泵的揚(yáng)程，否則儲(chǔ)液缸內(nèi)的壓力會(huì)明顯不足，進(jìn)而影響清洗效果。所以，清洗管徑的設(shè)置須綜合考慮管道投資費(fèi)用和動(dòng)力損耗兩方面的因素，選擇最經(jīng)濟(jì)有效的管徑。實(shí)際工作中，對(duì)于碳鋼管，經(jīng)濟(jì)管徑可用下式來計(jì)算：D=282G0.52p-0.37式中，D經(jīng)濟(jì)管徑，mmG質(zhì)量流量，kg/s,色-密度，kg/m3例如，若清洗液流量Q為30m3/h,清洗液密度p取近似值1000kg/m3,則首先可求得清洗液的質(zhì)量流量G=Q?p/3600=30X1000/3600kg/s=8.33kg/s,然后再將G=8.33kg/s,p=1000kg/m3代入公式中即可求得經(jīng)濟(jì)管徑D=58mm最后按所選衛(wèi)生鋼管的標(biāo)準(zhǔn)選取與

6、經(jīng)濟(jì)管徑相接近的管徑即可。例如，對(duì)于DIN標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)生鋼管，可選用DN65(70X2)的規(guī)格。3 .清洗泵揚(yáng)程的確定確定了清洗泵的流量和清洗管的管徑后，則可計(jì)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(jī)的儲(chǔ)液缸時(shí)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(shí)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)，即可得到所需清洗泵的揚(yáng)程。對(duì)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(jì)算，式中，APf一沿程阻力損失，Pa,入一一磨擦系數(shù)，l管長，md管徑，m,-密度，kg/m3u清洗液的平均流速，m/s；對(duì)于儲(chǔ)液缸內(nèi)的沿程阻力損失，也可用范寧公式來

7、計(jì)算，但須以儲(chǔ)液缸截面的當(dāng)量直徑de代替管徑d,管長l建議取儲(chǔ)液缸中心環(huán)面的周長。其中當(dāng)量直徑de等于四倍的水力半徑R,即de=4R對(duì)于局部阻力損失的計(jì)算，一般可采用兩種方法：阻力系數(shù)法和當(dāng)量長度法。阻力系數(shù)法的計(jì)算公式為APf=(?u2/2式中，(一一阻力系數(shù)。當(dāng)量長度法的計(jì)算公式也為范寧公式，但須以管件的當(dāng)量長度le代替管長l°下表為部分管件、閥門以管徑計(jì)的當(dāng)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(nèi)所能容納的清洗液容積與灌裝機(jī)的儲(chǔ)液缸的容積之和，并且須有一定的儲(chǔ)備量，以防止因清洗過程中灌裝閥

8、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(zhuǎn)。一般情況下，罐體有效容積越大越好，但有效容積過大，會(huì)造成罐體制造成本的增加，因此根據(jù)實(shí)際情況須計(jì)算出經(jīng)濟(jì)合理的有效容積。5 .換熱器的選擇手動(dòng)CIP系統(tǒng)常用內(nèi)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，加熱時(shí)間較長，一般都在1個(gè)小時(shí)以上，且不易拆卸。而全自動(dòng)ClP系統(tǒng)一般選用傳熱面積大，傳熱系數(shù)高，結(jié)構(gòu)緊湊，具有可拆結(jié)構(gòu)的板式換熱器。所選取板式換熱器的加熱時(shí)間一般可控制在30分鐘1個(gè)小時(shí)。6 .管道布置全自動(dòng)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(jié)構(gòu)，且各手動(dòng)閥門須

9、布置在易操作的位置，各氣動(dòng)閥門布置在易觀測、易檢修的位置。在管道與閥門的配合設(shè)置中應(yīng)盡量保證在系統(tǒng)不運(yùn)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(jìn)行操作，CIP系統(tǒng)可設(shè)計(jì)為統(tǒng)一進(jìn)水，統(tǒng)一排水的結(jié)構(gòu)。統(tǒng)一進(jìn)水是指各罐體的注水、各罐體自清洗時(shí)的進(jìn)水等通過合理的管道布置分別經(jīng)系統(tǒng)唯一的進(jìn)水口進(jìn)行統(tǒng)一進(jìn)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(jìn)行統(tǒng)一排放。同時(shí)，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(shè)置全自動(dòng)CIP系統(tǒng)

10、的自動(dòng)流程一般包括：自動(dòng)調(diào)配清洗液（.包括自動(dòng)注水、自動(dòng)加熱、自動(dòng)添加濃堿液或濃酸液）、自動(dòng)清洗灌裝機(jī)儲(chǔ)液缸（包括清水清洗、熱水清洗、熱堿清洗、酸液清洗）、自動(dòng)清洗系統(tǒng)自身管道、自動(dòng)清洗CIP系統(tǒng)與轉(zhuǎn)換板之間的管道等。在上述自動(dòng)流程中，清洗液流經(jīng)的管道上除轉(zhuǎn)換板上的閥門通常設(shè)為手動(dòng)閥門外，其余閥門均須設(shè)置為氣動(dòng)閥門。在設(shè)計(jì)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(dòng)化，一般可設(shè)為手動(dòng)操作，具相關(guān)的操作閥門則可設(shè)置為手動(dòng)閥門。出于安裝和檢修的需要，在統(tǒng)一進(jìn)水口、統(tǒng)一排放口、蒸汽進(jìn)汽口、冷凝水排放口均須設(shè)置一手動(dòng)閥門。例如：在蒸汽管道上可使用密封性

11、能較好的柱塞閥，冷凝水管道上可使用截止閥，進(jìn)出水管道上可使用手動(dòng)蝶閥或球閥。8 .控制元件設(shè)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(shí)時(shí)測量加熱后的水溫，并輸出信號(hào)控制蒸汽管道上的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，自動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽流量，以控制加熱速度，并確保加熱后的水溫不超過設(shè)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(dòng)隔膜泵來實(shí)現(xiàn)，由于添加量比較少，添加時(shí)間較短，這一過程可安排在清洗液循環(huán)加熱的過程中進(jìn)行。在回流管段上安裝一電導(dǎo)率傳感器，可實(shí)時(shí)測量濃縮液添加過程中清洗液的濃度,并輸出信號(hào)控制氣動(dòng)泵的啟停，從而確保清洗液的濃度達(dá)到設(shè)定的清洗濃度。

12、3）液位控制元件：罐體上高、低液位通常須分別設(shè)置液位檢測裝置，用于控制罐體的高、低液位，防止管內(nèi)水溢流及離心泵的空轉(zhuǎn)。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(shí)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(diào)配用于酸洗管道用的酸液時(shí)。若CIP用戶需直觀看到罐體內(nèi)液位的情況，且需要隨意調(diào)節(jié)檢測液位的高度，則可選用磁浮子液位計(jì)的形式。4）氣動(dòng)閥門開關(guān)檢測：全自動(dòng)CIP系統(tǒng)中，由于氣動(dòng)閥門數(shù)量較多，控制程序較為復(fù)雜，每個(gè)氣動(dòng)閥門上須安裝開關(guān)檢測裝置，以實(shí)時(shí)監(jiān)測閥門的開關(guān)情況，便于在出現(xiàn)閥門故障時(shí)及時(shí)停止相關(guān)程序的運(yùn)行，同時(shí)可將出現(xiàn)故障的閥門指示在操作界面上，便于人員檢修