基于熱負荷變化的后混合飲料機溫度控制參數優化整定

摘 要：介紹后混合飲料機的工作原理，分析CCDX型后混合飲料機溫控參數設置的固有缺陷，通過改變糖漿的冷卻方式，并利用NTC測得的溫度和時間的比值（即升/降溫速度）來反映熱負荷的變化，從而設定不同的壓縮機開/關機溫度值。測試結果表明，本文所提的溫度參數優化整定方法能有效地解決不能同時滿足為了得到合格的飲料所需要的狹窄的溫控范圍和待機狀態下每小時開/關機8次的要求，以及飲用水管路凍結的問題。提高了碳酸飲料產品的質量與生產效率。

關鍵詞：后混合飲料機；溫度控制；參數整定；熱負荷

中圖分類號：TP273+.24 文獻標識碼：A

Research and Application of Temperature Parameter Setting Base on the Changes of Heat Load in Post－mix Beverages Dispenser

ZHANG Yingjie1，LIN Strong1，2

（1. School of computer and communication， Hunan University， Changsha 410082，China;2. Guangzhou Spengler Vending Technologies RD Co.， Ltd， Guangzhou 510663，China）

Abstract:The principle of post-mix beverages dispenser is introduced in this paper. Analyzed the main problems CCDX machine is due to a settled temperature setting when compressor on/off in original design couldn’t solve the conflict between the narrow temperature range required to get qualified beverage and the larger temperature range required in the limit of 8 cycles for compressor on / off what defined in specification in order to reduce the energy consumption during standby status. Therefore， it needs different temperature control range when machine in different working states. Solved the existing problem in CCDX machine by changing the cooling path of syrup; setting different temperature value when compressor on / off by measured the ratio of temperature vs. time (raise/cooling rate) what reflected changes in heat load through the NTC.

Key words:postmix beverages dispenser; temperature control; parameter setting; heat load

1 引 言

隨著人們生活水平的提高，碳酸飲料越來越受廣大消費者的歡迎。碳酸飲料的制造工藝可以分為前混合與后混合兩種。前混合法常用于大規模罐裝碳酸飲料的生產；后混合法常用于現場調制的碳酸飲料的制作。可口可樂公司是世界上最大的碳酸飲料生產商，在這兩種碳酸飲料生產方法的設備、包裝和生產工藝上擁有大量專利。比如，后混合飲料分配器^［1］。

后混合飲料機是由儲水箱、用于在水箱內形成冰庫的制冷系統、一個包括在水箱內冷卻螺旋管的飲用水回路、一個存儲并冷卻濃縮糖漿盒的箱體和冷卻系統、多個由帶編碼器的齒輪電機驅動的蠕動泵組成的濃縮糖漿的泵吸裝置、一個在飲用水回路中水量計、以及一個控制系統組成。其流程簡圖如圖1所示。

圖1 后混合飲料機流程示意圖

為了克服現有后混合飲料機再次接水時間間隔長的問題，提高飲用水回路的制冷效率，CCDX機器用一個包含飲用水回路和制冷系統冷媒管的鋁塊（即蒸發器）代替了可口可樂公司專利中的儲水箱作熱交換器。在蒸發器中加有NTC作為溫度探頭，方便控制水溫。此外，CCDX機器還將碳酸發生器以及配套的二氧化碳氣瓶和減壓器做到了機器里，有利于擴大機器的使用范圍；對原來可口可樂公司機器使用的蠕動泵做了改進，更加便于操作、使用。圖2是其功能簡圖。

圖2 CCDX飲料機功能示意圖

本文針對CCDX機器的溫度參數設置，提出了一種基于熱負荷變化的溫度參數優化整定方法。

2 后混合飲料機工作原理

對碳酸飲料來說，其口味的關鍵是糖漿和CO2含量。而CO2的溶解量與水的溫度、壓力有關，Φ=f(T，p)，它們之間成一定的曲線關系。如圖3所示^［2］。

圖3 CO2在水中溶解量曲線

依據可口可樂與世本樂公司制定的標準^［3］，合格飲料的溫度（混合后接到杯中的溫度）必須控制在4.4℃以下；接到杯中飲料的CO2濃度必須大于3.45；初始準備（即initial pull down）時間必須在6小時以內；更換糖漿時間（即recovery time）必須1小時以內；為減少能源的消耗，待機狀態下（通常在開機24小時后）每小時開/關機次數小于8次的要求。糖漿與碳酸水（或純水）的比例分別設置為Coca cola：1:5.4；Coca cola light：1:4.4；Fanta：1:5.4；Nestea：1:4.0；Minute Maid：1:4.4。

碳酸飲料由碳酸水和糖漿混合而成。碳酸水中二氧化碳的含量符合Henry定律^［4］。為滿足標準規定的飲料中CO2濃度大于3.45的要求，接到杯中的碳酸水的CO2濃度應至少大于4.23。依據在線碳酸化濃度值（即碳酸發生器中的碳酸水的濃度）與杯中碳酸水的碳酸化濃度之間的關系，可知碳酸發生器中的碳酸水的CO2濃度至少需要大于6.0（見圖4）^［5］。由GB/T 10792-1995碳酸飲料（汽水）的附錄A碳酸氣吸收系數表^［6］得知，在0.45MPa的壓力下，要得到大于6.0的飽和碳水，只要將碳酸發生器中碳酸水的溫度控制在12℃以下即可滿足要求。而且，較冷的水溫度，可使二氧化碳更容易吸收直到飽和，也利于二氧化碳保留在液體里^［7］。

圖4 碳酸水在線濃度值與杯中碳酸水濃度關系

根據熱平衡方程知，混合后飲料的溫度是由飲用水和糖漿的溫度共同決定的，其數值ΔTm=(cwρwvwΔtw+csρsvsΔts)/cm(ρwvw+ρsvs)必須小于等于4.4℃。

式中，糖漿的密度分別是：Coca cola: 1.286；Coca cola light: 0.973；Fanta: 1.260；Nestea: 1.110；Minute Maid：1.280。假設水和各種糖漿的比熱容相同cm=cw=cs，則解得的糖漿的溫度Δts值與水溫Δtw的關系見下表：

取最低的9.21℃作為糖漿的冷卻目標。考慮到取樣時熱交換的損失、實際糖漿的比熱容和水并不相同、以及溫度控制的誤差，糖漿的溫度應該在6小時以內降低到9℃以下；同時，碳酸水或飲用水的溫度必須控制在0.5~3.5℃。

圖5是CCDX機的制冷系統的控制原理圖。該制冷系統通過一個負溫度系數熱敏電阻（NTC）檢測蒸發器鋁塊的溫度，控制壓縮機的開/關。當鋁塊溫度降低到設定的壓縮機關機溫度時，壓縮機停止工作；之后，鋁塊與空氣、糖漿等周圍物體和飲用水回路中的水放生熱交換，溫度回升，當到達設定的壓縮機開機溫度時，壓縮機開始工作。

其中，飲用水回路是埋在鋁塊當中的。由于飲用水與鋁塊的溫差較小，可以通過控制鋁塊的溫度間接控制飲用水的溫度。另外，飲用水和糖漿因為衛生的要求而不容易探測其真實溫度，只能以鋁塊的溫度作為控制目標。

圖5 CCDX機制冷系統的控制原理圖

3 控制系統缺陷與溫控參數優化設置

根據以往統計的試驗數據分析，引用水的溫度可以控制在15分鐘內達到3.0 ℃以下，說明CCDX機器制冷系統的制冷能力是足夠的，但糖漿冷卻到10 ℃以下卻需要很長的時間。CCDX機器原來的設計不能滿足可口可樂要求的將初始準備時間控制在6小時以內的要求。

初始準備時間是指機器在特定條件下（C條件：環境溫度32 ℃、水溫32 ℃），當機器安裝完成或遇到長時間停電時，機器從開始工作到能放出合格飲料的時間。是衡量機器制冷能力的一個重要指標；也是反映CCDX機器比可口可樂公司現有機器先進的一個重要指標。

要得到合格的飲料，就需要有較低的糖漿溫度和水溫。但是，當水溫低于或接近0℃時，卻會造成飲用水回路凍結，無法提供產品。因此，溫度控制是最重要的因素，也是難點。

3.1 改變糖漿的冷卻方式

CCDX機器的原始設計中，對糖漿盒中糖漿的冷卻方法仍沿用了可口可樂公司專利技術中靠流動的冷空氣散熱的方法。糖漿的熱傳導途徑由兩部分組成：一部分沿著糖漿盒→空氣→鋁塊→壓縮機→散熱器的路徑傳熱；另一部分沿著糖漿盒→不銹鋼糖漿托盤→（空氣）→鋁塊→壓縮機→散熱器的路徑傳熱。

由于不銹鋼材料的熱傳導系數低，而且其厚度只有1mm，不利于傳熱；又由于糖漿托盤與鋁塊之間由于結構原因并沒有良好的接觸，前一部分的熱傳導路徑是主要的。后一部分占的比例較小，糖漿冷卻速度很慢。實驗中大約需要9.5小時才能得到合格的飲料，難以達到標準中的要求。

所以，必須對糖漿的冷卻方式進行改變，以改善糖漿的降溫特性。

改進的方法是將糖漿托盤的材料由于1mm不銹鋼板換為4mm鋁板，將鋁板緊貼在蒸發器的鋁塊上，并增大接觸面積，使糖漿的主要冷卻方式由空氣冷卻改為由鋁質糖漿托盤經蒸發器鋁塊直接冷卻，以大幅提糖漿的冷卻效率。

3.2 軟件的分析和改進

另一方面，溫控參數的設置還是面臨控溫范圍狹窄的矛盾：為提高糖漿冷卻速度并防止飲用水回路凍結，需要較小的壓縮機開/關機溫度值的范圍（狹窄的控溫范圍）。但是，由于標準中規定在待機狀態下每小時開/關機8次，卻需要擴大壓縮機開/關機溫度值的范圍。這樣，就產生了矛盾。而且，壓縮機停機后因為制冷劑的流動并沒有馬上停止，存在一個較大的延時，溫度還會繼續降低，更擴大了這個矛盾。

因為整個制冷系統是一個非線性系統，所以原設計中以一個固定的壓縮機開關機溫度值控制制冷系統面臨著困難，非常容易發生凍結或水溫過高的現象。而且，糖漿的降溫曲線也是非線性變化的。隨著時間的推移，冷卻系統的熱負荷也就非線性地由重變輕。這樣一個固定的壓縮機開/關機溫度值無法反映制冷系統負載的變化，造成溫控的困難。

為了減少熱負荷對制冷系統溫控的影響，本文提出了基于熱負荷變化調整溫度參數設置的方法，并引入了以下幾個新的控制參數：

實際應用中，△Tr最能及時反映熱負載的變化。當機器因為放飲料、或開門等引起的熱負荷增加時，△Tr會立刻增加。而當熱負荷隨著時間的增加在逐步變小時，△Tr也會逐漸減小。通過選擇合適的△Tr值，就能有效控制鋁塊和糖漿的降溫，并防止鋁塊中飲用水回路的凍結。而通過選用不同的K△T值設定△Tr的變化范圍以適應不同的機器。

在對以往試驗中糖漿溫度的變化情況進行統計分析后，根據△Tr的變化分別設置了對應于反映糖漿溫度高低和熱負荷情況的五個區間以及四個調整點（TH1~4），以區分機器的各個狀態：

最低。低于6℃。

糖漿和機器箱體與鋁塊之間的溫差已很低，熱負荷最輕。

取最大的開/關機溫度值之間的差值，達到每小時開/關機8次以內的頻率要求。

其中可設TH1=2400，TH2=1800，TH3=1200，TH4=600。由軟件通過從NTC測量而計算得到的△Tr值的大小判斷機器所處的狀態，并設置下一循環中壓縮機開/關機的溫度值。其流程圖如圖7所示。

圖7 控溫流程圖

4 試驗與測試結果分析

試驗中，發現：在壓縮機第一次停機時，鋁塊的溫度已經到達了設定的溫度點（0℃左右）；但此時通過出水閥接到的飲用水溫度在5℃以上。這是因為鋁塊與飲用水、糖漿和機器內膽等周圍物體之間存在較大的溫差，鋁塊與周圍物體的熱交換頻繁，溫升很快的結果。之后，隨著壓縮機不斷地開/停機，機器內膽和糖漿的溫度逐漸降低，糖漿與鋁塊之間的溫差也越來越小，鋁塊與周圍物體的熱交換不再頻繁，溫升逐漸變慢。熱負荷對制冷系統的溫控是有很大影響的。

通過將糖漿托盤的材料由1mm不銹鋼板換為4mm鋁板，并將鋁板緊貼在蒸發器的鋁塊上，改變糖漿的冷卻方式；以及基于熱負荷變化調整溫度控制參數并優化整定的應用。改善效果非常明顯。所有糖漿都能在6小時內降到9℃以下，達到了預期目標。圖8和圖9是改進前后糖漿降溫曲線的對比。實際應用中，各種不同的機器因為密封和制造公差的原因，會有不同的熱負荷和不同的制冷性能。通過調整相應的TH點的數值就可改變機器△Tr的變化范圍，以適應各種不同的變化。在整個初始準備（即initial pull down）時間里，機器從特重負載區開始，經常工作于重負載區和中負載區；并時常因放水取樣等因素影響在這兩個區域轉換。這兩個區域開/關機溫度參數的設置是關鍵。之后經過輕負載區過渡到休眠區，進入待機狀態。通過對大量實驗數據的統計和分析計算，得到了以下壓縮機開/關機溫度值表：

圖8. 機器改善前糖漿降溫曲線

圖9.機器改善后糖漿降溫曲線

這樣，通過對鋁塊熱負荷的探測、分段對壓縮機的開/關機溫度進行控制，降低了熱負荷的影響。在初始準備時間、更換糖漿以及連續取飲料等熱負荷較大的情況下，采用較小的壓縮機開/關機溫度范圍，以提高開/關機頻率，提高壓縮機每小時的輸入功率，達到提高糖漿冷卻速度的目的；在待機狀態下，擴大壓縮機開/關機溫度范圍，降低壓縮機每小時的輸入功率，達到每小時開/關機8次的節能要求。

為此，編寫了一段代碼：先讓每臺機器的壓縮機用固定的開/關機溫度值工作11個循環，去除得到的第一個K△T值，將剩余的K△T累加，然后根據累加的K△T值與預設值進行比較，自動改變TH點的數值、設定各機器△Tr的變化范圍。這是一個機器自我學習的過程，具體代碼從略。

5 結束語

通過工藝改進和控制軟件的優化設計，CCDX機器已經能夠達到可口可樂公司的要求，生產出合格的碳酸飲料。基于熱負荷變化調整溫度參數設置方法的應用，避開了熱負荷的影響，很好地解決了控溫范圍狹窄以及機器在不同的狀態下需要不同的控制范圍的矛盾，而且不需要修改硬件電路，因而具有良好的應用前景與推廣價值。

參考文獻

［1］ 可口可樂公司. 后混合飲料分配器: 中國， 98803304.6［P］. 2000-04-12.

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［7］ The Lancer guide to Understanding Post-Mix Systems. San Antonio， Texas: Lancer Blvd.， Apr 2009［EB/OL］.http://www.lancercorp.com/index.php/lancer-support/training-materials/understanding-postmix

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