啤酒巴氏滅菌機熱分析及噴嘴溫度設定

楊清艷，張 科

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

啤酒巴氏滅菌機熱分析及噴嘴溫度設定

楊清艷1,2，張 科3

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

啤酒巴氏殺菌機噴淋水的溫度是影響啤酒口味和質量的關鍵因素,因此需要建立啤酒殺菌強度PU值與噴淋嘴溫度之間的聯系。文章首先根據熱力學理論建立噴淋嘴溫度與啤酒溫度之間的數學模型;然后建立以啤酒實際PU值與理論PU值相差最小為優化目標、殺菌機的工藝要求等為約束條件、殺菌機的各溫區設定溫度為變量的目標優化模型;開發了基于OpenGL和Excel的智能化啤酒殺菌PU控制軟件,并成功地應用于隧道式啤酒殺菌機系統中。實驗結果表明,該文提出的理論模型正確,開發的軟件能有效地根據理想PU值控制殺菌機各個溫區噴淋嘴溫度,達到理想的啤酒殺菌度。

隧道殺菌機;VC++語言;PU值;啤酒殺菌;熱傳導

0 引 言

啤酒產品是目前比較火熱的低酒精度酒水,為了迎合消費者的需求,啤酒研究者從最初啤酒的制成過程出發,力求獲得理想產品[1-2]。巴氏滅菌是一般飲料生產過程中常見的一道工序。經過巴氏滅菌處理后,飲料中的有害細菌被殺滅,可使產品保質期延長。關于各種不同飲料的巴氏滅菌工藝,國內外已有一些文獻報道[3-7]。對啤酒產品而言,殺菌過程是不可缺少的,并且殺菌過程的溫度對質量的影響重大。溫度過高,會使啤酒中含有的高分子蛋白質凝固析出,形成一絲絲的絮狀物,并且還會加劇氧對啤酒成分的氧化作用,使啤酒產生澀味與老化味,同時使啤酒顏色變深;另外,高溫還會使二氧化碳大量放出,瓶內壓力急劇升高,易引起瓶子爆裂。而殺菌溫度過低,達不到殺菌效果,會引起生物混濁，因此殺菌過程的溫度控制很關鍵。目前人們對啤酒的品質、風味的追求越來越高,這就要求殺菌機在PU值的控制精度上越來越準確,但是目前的普通殺菌機都無法滿足這一要求[8-9]。

本文主要研究根據所設定的啤酒理想的殺菌強度PU值,反過來求取合適的殺菌機各溫區的噴淋嘴溫度設定值,而該溫度設定值主要依靠人工經驗給定,缺乏理論指導并且難以根據實際工況變化進行實時調整;在保證啤酒質量的前提下,若使得殺菌過程中啤酒最終的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聯模型。本文在VC++環境下,采用OpenGL和Excel開發了啤酒殺菌PU控制軟件[10-11],在正常狀態下,建立隧道式殺菌機噴淋嘴溫度與啤酒溫度之間的數學模型,對噴淋嘴溫度設定值求解優化,提供噴淋嘴設定值的參考值,從而保證實際啤酒質量的偏差在允許范圍之內。

1 隧道式殺菌機數學模型

本文分析的啤酒殺菌過程為啤酒由進到出經歷了編號為1～n共10個不同水溫噴淋換熱區,其中前7區為噴淋加熱,后3區為噴淋冷卻。從網絡特征來看,這10個區包括3個加熱冷卻循環和4個加熱循環,從產品進至產品出換熱區依次編號為1 ～n。在實際生產過程中,既使是在同一個殺菌機相同的各個溫區噴淋嘴溫度設置值,由于不同的啤酒瓶瓶型、啤酒濃度、環境等都可能造成最終的啤酒PU值不同。為了解決這一問題,需要建立殺菌機噴淋嘴溫度設定值與啤酒瓶瓶型、環境、PU值之間的關系,以實現根據啤酒瓶瓶型、環境、PU值反過來求取殺菌機各個溫區噴淋嘴的設定溫度。

1.1 隧道式殺菌機啤酒質量數學模型

衡量隧道式啤酒殺菌機效果最為重要的參數為殺菌之后的啤酒最高溫度、啤酒PU值以及啤酒產量,其中啤酒最高溫度和啤酒PU值是經過殺菌機之后啤酒質量的重要參數。要建立啤酒質量數學模型也就是需要建立啤酒溫度、啤酒PU值與殺菌機噴淋嘴溫度之間的關系。

對于隧道式殺菌系統可以將其劃分為N個立體單元,每個立體單元包含3個系統[12]:① 由噴淋嘴產生的空氣/水霧系統;② 瓶子系統;③ 水系統。3個系統如圖1所示。

圖1 3個系統示意圖

1.1.1 水霧系統熱力學數學模型

根據圖1以及熱力學第一定律,可得空氣/水霧系統的熱傳導公式為:

(1)

第i個VE內系統1與外界環境之間的傳熱速率可以計算為:

(2)

其中,T∞為外部環境溫度;Uw,i為空氣/水霧與環境之間的傳熱系數,即

(3)

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

(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可用二維域的連續性方程分析估計得到，即

(6)

其中,v為在垂直方向的空氣/水霧速度。

(7)

(8)

另外,系統1與系統2之間的傳熱速率可以計算為:

(9)

其中,Ab為一個VE里的總外部表面積;Tb,i為內部瓶子溫度;αi為空氣/水霧和瓶子之間的對流傳導系數。

1.1.2 瓶子系統熱力學模型

(1) 啤酒瓶總的傳熱分析。對于瓶子系統,其熱傳導公式根據熱力學第一定律可得:

(10)

其中,c為整個瓶子的熱傳導系數;mb,i為裝了啤酒的啤酒瓶總質量。

(2) 啤酒瓶內部傳熱分析。一啤酒瓶突然放入隧道式殺菌機中加熱,啤酒瓶受殺菌機內噴淋嘴噴淋的水霧環境的加熱作用,通過熱傳導作用其熱量從啤酒瓶外表面向啤酒瓶中心隨時間逐步擴散直至穩定,其內能也逐漸增加。啤酒瓶加熱過程的溫度變化情況如圖2所示。

圖2 啤酒瓶加熱過程示意圖

由圖2可知,當τ=0時,啤酒瓶處于均勻的溫度t=t0下,隨著時間τ的增加啤酒瓶溫度開始變化,而后中心溫度也逐步升高;當τ→∞時,啤酒瓶溫度將與環境溫度拉平,非穩態導熱過程結束。圖2中溫度分布曲線是用相同的Δτ來描繪的。根據熱力學定義得出，當物體系統的外熱阻遠大于它的內熱阻時,環境與物體表面間的溫度變化遠大于物體內的溫度變化,可以認為物體內的溫度分布幾乎是均勻一致的。因此可以忽略物體內熱阻。而啤酒瓶屬于薄壁件,其內部熱阻?外部熱阻,根據熱力學定律的計算非穩態導熱的海斯勒線算圖[13],啤酒在殺菌機系統內升溫和降溫的計算過程如下。

啤酒瓶在殺菌機里升溫示意圖如圖3所示。

圖3 啤酒瓶在殺菌機里的系統示意圖

(11)

因為物體的內部熱阻遠遠小于外部熱阻,內部熱阻可以忽略,則溫度與坐標無關,所以(11)式中溫度的二階導數項2t為0,則該式轉化為:

(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。

可見物體溫度隨時間的推移逐步趨于環境溫度,這是符合物體冷卻過程規律的。

1.1.3 水系統熱力學數學模型

對于水系統,其熱傳導公式根據圖2和熱力學第一定律可得:

(18)

2 啤酒PU值控制軟件設計

根據建立的啤酒殺菌過程數學模型,在VS2010開發環境中用C++語言編寫啤酒巴氏殺菌機的PU控制噴淋嘴溫度控制中心軟件。系統生成啤酒溫度值、啤酒PU值以及噴淋嘴設定溫度值的過程為:通過人機交互界面,輸入啤酒瓶的參數、殺菌機各區參數、殺菌機實時理論PU值、殺菌機運行參數,根據啤酒殺菌工藝模塊算法,經過計算、處理自動生成與啤酒PU值對應的殺菌機各區噴淋嘴溫度設定值，并且伴隨著繪制出啤酒理論溫度、啤酒理論PU值。啤酒PU控制系統軟件數據流向如圖4所示。

圖4 啤酒PU控制系統軟件數據流向圖

3 系統軟件測試

為了測試軟件的運行情況,測試不同參數設置下啤酒的理論溫度曲線、理論PU值曲線,實際溫度曲線以及實際的PU值曲線。

3.1 測試不同啤酒瓶參數下軟件運行情況

為了滿足使用的需求，將常用的幾種啤酒瓶參數進行實驗，只改變啤酒瓶參數，不改變殺菌機各溫區參數以及殺菌機運行參數等，進行了以下3種不同啤酒瓶實驗。

實驗1、實驗2、實驗3中所采取的啤酒瓶參數見表1所列。

實驗1中啤酒廠家為ABC；實驗2中啤酒廠家為ANCHOR；實驗3中啤酒廠家為Heineken。3個實驗中設定的理想PU值均為10，由啤酒PU值控制軟件計算啤酒理論溫度曲線以及啤酒理論PU值曲線，然后由該軟件根據PU值反算出各個溫區的噴淋嘴溫度設定值。限于篇幅，本文只列出實驗1運行結果，如圖5所示，3個實驗的運行數據見表2所列。

表1 3種不同的啤酒瓶實驗參數

由表2可知，同一殺菌機中使用3組不同的啤酒瓶參數會導致殺菌機各個溫區噴淋嘴溫度設定值不同,并且啤酒瓶參數越小在保溫區的噴淋嘴溫度設定值越偏高,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,則需要將相應溫區的噴淋嘴溫度調高,這也符合(17)式的推導。

圖5 實驗1的啤酒理論溫度曲線和理論PU值曲線

表2 不同啤酒瓶參數下各溫區噴淋嘴溫度設定值 ℃

3.2 軟件實際運行情況

將本文設計的噴淋嘴設定溫度控制軟件應用于某型號殺菌機中,用該軟件根據所給的PU值計算出對應的噴淋嘴溫度,指導殺菌機各溫區噴淋嘴的冷水閥口、熱蒸汽閥口的開啟和關閉。

實驗中對3個啤酒瓶進行測試實驗。3個啤酒瓶里各插入一個PU記錄儀,如圖6所示。

每隔10 s記錄一次溫度,最后將記錄儀的數據導出,結果如圖7所示。

由圖7可知,本文軟件能正確指導殺菌機的運行,所設定的各區溫度能使啤酒溫度滿足要求(達到60 ℃以上),而且PU值也能滿足要求,證明了本文推導的數學模型的正確性。

圖6 實驗中啤酒瓶里插入PU測試計

圖7 實驗中采集的各個啤酒溫度實時數據

4 結 論

本文針對以往依靠經驗來設定殺菌機各個溫區噴淋嘴溫度值的不足,根據熱力學定律構建殺菌機殺菌過程中的數學模型;在此基礎上提出了一種基于理論啤酒PU值反過來設定殺菌機各溫區噴淋嘴設定溫度的控制策略,實現了啤酒殺菌生產過程的自動化，代替了以往依靠經驗的設定殺菌機各個溫區噴淋嘴溫度值;結合VC++將所構建的啤酒殺菌過程數學模型編制為啤酒PU控制智能化軟件,最后進行實驗驗證。實驗運行結果表明,本文設計的基于VC++的啤酒殺菌機PU控制軟件可以對殺菌過程實行自動化控制,使啤酒殺菌后滿足質量的要求。

[1] 陳長毅.影響啤酒中高級醇含量因素及其控制措施的探討[J].現代食品科技,2010,26(12):1370-1374.

[2] 勵建榮,裘紀瑩.啤酒釀造中的雙乙酰及其酶法控制研究進展[J].現代食品科技,2007,23(9):65-68.

[3] LAN M H,TANG J.Pasteurization of pickled asparagus using 915 MHz microwave[J].Journal of Food Engineering,2002,51(4):283-290.

[4] IBARROLA J J,GUILLEN J G,SANDOVAL J M,et al.Modelling of a high temperature short time pasteurization process[J].Food Control,1998,9(5):267-277.

[5] LE B A,CORNIER G.Improvement of heat transfer during low temperature pasteurization process[J].Journal of Food Engineering,1996,27(4):409-422.

[6] TUCKER G.A Novel validation method: a application of time-temperature intergrators to pasteurization[J].Food and Bioproducts Processing,1999,77(3):223-231.

[7] CYGNAROWICZ P M,CRAIG J C,WHITING R C.Computer control of a steam surface pasteurization process[J].Journal of Food Engineering,1995,25(2):131-139.

[8] 嚴加偉.啤酒的國際市場[J].食品與發酵工業,1991(2):88-92,74.

[9] 杜綠君.中國啤酒工業發展的態勢與展望[J].啤酒科技,2005(3):3-5.

[10] 魏禮俊,胡毅.用VC++開發分布式測控系統[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2004,27(10):1355-1358.

[11] 錢朋安,莢濟民.機器人運動學仿真教學軟件研究[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2005,28(7):760-763.

[12] DILAY E,VARGAS J V C,AMICO S C,et al.Modeling,simulation and optimization of a beer pasteurization tunnel[J].Journal of Food Engineering,2007,77(3):500-513.

[13] 楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].4版.北京：高等教育出版社，2006：113-121.

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資助項目(16030901016)；安徽建筑大學校引進人才及博士啟動基金資助項目(2016-108)

楊清艷(1987-),女,重慶永川人,博士,安徽建筑大學講師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.11.004

TK121

A

1003-5060(2017)11-1458-06

(責任編輯 胡亞敏)