摘要：本文主要针对全自动CIP系统设计过程中清洗泵流量和扬程的确定、清洗管径及罐体有效容积的确定、控制元件设置等设计要点等进行了较为全面的收集和阐述，为CIP系统的规范化设计提供了参考依据。
关键词：全自动CIP系统；设计要点；规范化设计
(Guangdong Light Industrial Machinery Group Ltd., Guangzhou, 510288)
Abstract: The paper analyses the design essentials for automatic CIP system, mainly about flow and pressure of centrifugal pump, pipe diameter, effective volume of tank, control components, etc., and can be used for reference for CIP system design standardization.
Key words: automatic CIP system; design essentials; standardization
一、 前言
作为啤酒、饮料包装生产线上的辅助设备，CIP系统提供了对灌装机进行原位清洗的功能，随着包装生产线产量和自动化程度的不断提高。全自动CIP系统逐渐被越来越多的啤酒厂家所认识和接受，大有取代旧式手动CIP系统之势。但到目前为止，全自动CIP系统的设计多凭经验，无系统规范的设计规程。作为多年从事CIP系统开发设计的工程人员，笔者在此对全自动CIP系统的基本设计要点进行了较为全面的收集和阐述，希望能为以后CIP系统的规范化设计提供参考依据。
二、 全自动CIP系统简介
与手动CIP系统相比，全自动CIP系统主要是通过使用大量气动控制阀门代替手动阀门，并配合使用温度、电导率等控制仪表，通过PLC集中编程，从而实现清洗液自动调配，并根据设定工艺对灌装机进行自动清洗的功能。全自动CIP系统有较为便利的操作界面，操作比较方便，但由于制造成本较高，比较适合用于清洗产量较大的灌装机。目前全自动CIP系统较多应用于啤酒包装生产线。
三、 设计要点：
1. 清洗泵流量的确定：
在CIP清洗过程中，灌装机储液缸内的流动状态可以用雷诺数公式
Re＝R•u•ρ／μ ………………………………………①
来表示，式中
Re——储液缸内清洗液的雷诺数；
R——储液缸的水力半径，m；
u——储液缸内清洗液的平均流速，m/s；
ρ——清洗液的密度，kg/m3；
μ——液体的动力粘度，Pa•s
为获得较好的清洗效果，清洗液不仅在储液缸内须形成湍流状态，而且雷诺数要远远高于临界雷诺数4000，才能通过清洗液流动质点的不规则脉动和切向运动较好的除去附着在内壁上的污垢。实验证明，对于矩形缸体，清洗液的雷诺数Re须大于7500。
对于截面尺寸为a×b的矩形缸体，其水力半径为截面积与湿润周边长度之比，即
R=0.5•a•b／(a＋b) ………………………………………②
式中
a，b——矩形缸体截面尺寸，m
由于流量为流速与流道截面积之积，故对于矩形缸体，具体关系式可表述为
Q＝3600•u•a•b
或 u＝Q／(3600×a×b) ………………………………………③
式中
Q——流量，m3/ h；
将公式②和公式③代入公式①中，可得出
Q＝7200•Re•μ•(a＋b) ／ρ……………………………④
例如，对于截面尺寸为260X170的矩形缸体，若清洗液的密度ρ取近似值1000 kg/m3,，清洗液的动力粘度μ取近似值1.307×10-3 Pa•s，雷诺数Re取7500，则将a＝0.26m，b＝0.17m，ρ＝1000 kg/m3，μ＝1.307×10-3 Pa•s代入公式④中，即可求得Q＝30.3 m3/ h，考虑安全系数1.15，则清洗液的流量可取为35 m3/ h。
2. 清洗管径的确定
在清洗泵流量确定的情况下，若管径选取得太大，则有可能造成浪费，不仅管道的投资费用增加，特别是在管道较长的情况下，而且由于管道中容纳的清洗液增多，使得罐体的有效容积需要相应增大，从而使得整体制造成本增加许多；相反，若管径选取得太小，则在清洗过程中，清洗液在管道内的动力损耗可能会大大增加，为保证灌装机储液缸内清洗压力不变，从而需要增加清洗泵的扬程，否则储液缸内的压力会明显不足，进而影响清洗效果。所以，清洗管径的设置须综合考虑管道投资费用和动力损耗两方面的因素，选择最经济有效的管径。实际工作中，对于碳钢管，经济管径可用下式来计算：
D＝282G0.52ρ-0.37………………………………………⑤
式中， D——经济管径，mm
G——质量流量，kg/s，
ρ——密度，kg/m3
例如，若清洗液流量Q为30 m3/ h，清洗液密度ρ取近似值1000 kg/m3，则首先可求得清洗液的质量流量G＝Q•ρ／3600＝30×1000／3600 kg/s＝8.33 kg/s，然后再将G＝8.33 kg/s，ρ＝1000 kg/m3代入公式⑤中即可求得经济管径D＝58 mm，最后按所选卫生钢管的标准选取与经济管径相接近的管径即可。例如，对于DIN标准的卫生钢管，可选用DN65(Φ70X2)的规格。
3. 清洗泵扬程的确定
确定了清洗泵的流量和清洗管的管径后，则可计算出一定流量的清洗液在流经一定管径的直管段和灌装机的储液缸时产生的沿程阻力损失，及流经各阀门、弯头、三通等元件时产生的局部阻力损失，求出以上三种阻力损失之和再乘以一定的安全系数，即可得到所需清洗泵的扬程。
对于圆型直管沿程阻力损失，可用范宁公式
ΔPf＝λ•l/d•ρ•u2/2……………………………………⑥
来计算，式中，
ΔPf——沿程阻力损失，Pa，
λ——磨擦系数，
l——管长，m，
d——管径，m，
ρ——密度，kg/m3
u——清洗液的平均流速，m/s；
对于储液缸内的沿程阻力损失，也可用范宁公式⑥来计算，但须以储液缸截面的当量直径de代替管径d，管长l建议取储液缸中心环面的周长。其中当量直径de等于四倍的水力半径R，即de＝4R。
对于局部阻力损失的计算，一般可采用两种方法：阻力系数法和当量长度法。
阻力系数法的计算公式为
ΔPf＝ζ•u2/2……………………………………………⑦
式中，ζ——阻力系数。
当量长度法的计算公式也为范宁公式⑥，但须以管件的当量长度le代替管长l。
下表为部分管件、阀门以管径计的当量长度le/d和局部阻力系数ζ的参考值：
4. 罐体有效容积的确定
罐体有效容积即罐体出液口以上所容纳清洗液的容量，此容积须大于管道内所能容纳的清洗液容积与灌装机的储液缸的容积之和，并且须有一定的储备量，以防止因清洗过程中灌装阀处泄漏造成清洗液的用量不足，影响清洗效果，甚至造成清洗泵的空转。一般情况下，罐体有效容积越大越好，但有效容积过大，会造成罐体制造成本的增加，因此根据实际情况须计算出经济合理的有效容积。
5. 换热器的选择
手动CIP系统常用内置于罐体的蛇管加热或直接通蒸汽加热等加热形式，这些加热形式的加热面积小，传热系数低，加热时间较长，一般都在1个小时以上，且不易拆卸。而全自动CIP系统一般选用传热面积大，传热系数高，结构紧凑，具有可拆结构的板式换热器。所选取板式换热器的加热时间一般可控制在30分钟～1个小时。
6. 管道布置
全自动CIP系统的管道可布置成置于罐前的由管道及管支架等组成的固定框架结构，且各手动阀门须布置在易操作的位置，各气动阀门布置在易观测、易检修的位置。在管道与阀门的配合设置中应尽量保证在系统不运行的情况下管道中无积水。为了简化与CIP系统相连接的管道配置，且便于CIP操作人员进行操作，CIP系统可设计为统一进水，统一排水的结构。统一进水是指各罐体的注水、各罐体自清洗时的进水等通过合理的管道布置分别经系统唯一的进水口进行统一进水。统一排水是指清洗液在清洗过程中的排放、各罐体残液的排放、管道较低管段积水的排放、各罐体的溢流水排放等通过合理的管道布置分别经系统唯一的排放口进行统一排放。同时，在排放口管段上安装一视镜，可方便操作人员在使用过程中监测残液排放情况。
下图为一设计实例图，可供参考：
7. 阀门设置
全自动CIP系统的自动流程一般包括：自动调配清洗液(包括自动注水、自动加热、自动添加浓碱液或浓酸液)、自动清洗灌装机储液缸(包括清水清洗、热水清洗、热碱清洗、酸液清洗)、自动清洗系统自身管道、自动清洗CIP系统与转换板之间的管道等。在上述自动流程中，清洗液流经的管道上除转换板上的阀门通常设为手动阀门外，其余阀门均须设置为气动阀门。
在设计过程中，考虑到成本因素，由于各罐体的自清洗、残液排放、管道积水排放等流程使用频率不高，无须自动化，一般可设为手动操作，其相关的操作阀门则可设置为手动阀门。
出于安装和检修的需要，在统一进水口、统一排放口、蒸汽进汽口、冷凝水排放口均须设置一手动阀门。例如：在蒸汽管道上可使用密封性能较好的柱塞阀，冷凝水管道上可使用截止阀，进出水管道上可使用手动蝶阀或球阀。
8. 控制元件设置
1) 温度控制元件：由于板式换热器的加热速度较快，在换热器的出口管段上通常须安装一温度传感器，以实时测量加热后的水温，并输出信号控制蒸汽管道上的气动调节阀，自动调节蒸汽流量，以控制加热速度，并确保加热后的水温不超过设定的清洗温度。
2) 浓度控制元件：浓碱液或浓酸液的添加可通过气动隔膜泵来实现，由于添加量比较少，添加时间较短，这一过程可安排在清洗液循环加热的过程中进行。在回流管段上安装一电导率传感器，可实时测量浓缩液添加过程中清洗液的浓度，并输出信号控制气动泵的启停，从而确保清洗液的浓度达到设定的清洗浓度。
3) 液位控制元件：罐体上高、低液位通常须分别设置液位检测装置，用于控制罐体的高、低液位，防止管内水溢流及离心泵的空转。一般可通过在高、低液位分别安装一液位传感器的形式来实现。若罐体容积较大、罐身较高，则可考虑增加一中间液位传感器，用于在所需清洗液用量不大的情况，如在调配用于酸洗管道用的酸液时。若CIP用户需直观看到罐体内液位的情况，且需要随意调节检测液位的高度，则可选用磁浮子液位计的形式。
4) 气动阀门开关检测：全自动CIP系统中，由于气动阀门数量较多，控制程序较为复杂，每个气动阀门上须安装开关检测装置，以实时监测阀门的开关情况，便于在出现阀门故障时及时停止相关程序的运行，同时可将出现故障的阀门指示在操作界面上，便于人员检修。阀门开关检测装置可通过在阀门目视指针上安装感应金属片，在相应位置安装接近开关的形式。
5) 连通检测：清洗管道与灌装机间的转换板装置，起着管路切换的作用。转换板上连通位置的正确与否直接影响到程序的运行。在转换板上安装连通检测装置，可实时监测连通位置，以防止程序在人为连通错误在情况下运行。连通检测装置可通过在连通管上焊接一感应棒，在转换板上对应位置安装接近开关的形式来实现。
四、 结束语
本文所讲述的全自动CIP系统的设计要点主要适用于啤酒、饮料等包装生产线。根据以上设计要点，笔者已成功进行了多套全自动CIP系统的设计，并得到了用户的认可和好评。当然，由于作者水平有限，内容上难免存在疏漏之处，欢迎有关业界人士批评指正。
参考文献：
［1］ 蒋维钧、戴猷元、顾惠君编著，《化工原理》，清华大学出版社
［2］ 顾宁一，“在线清洗装置——CIP”，《酒•饮料技术装备》2004 . 4
作者简介：慕清，女，广东轻工业机械集团有限公司技术部项目负责人，负责CIP系统的开发设计及生产跟进等工作。