小麥粉加工中水循環(huán)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化控制

賴世椿，朱龍權(quán)，張紹華，詹育生，黃金源

（1.廣州嶺南穗糧谷物股份有限公司，廣東 廣州 511466；2.廣州市糧食集團(tuán)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510000）

小麥粉加工行業(yè)普遍采用羅茨風(fēng)機(jī)正壓輸送進(jìn)行物料的輸送，比如在基礎(chǔ)粉入倉(cāng)、配粉、打包、循環(huán)倒倉(cāng)等工段。與傳統(tǒng)的機(jī)械式（斗提機(jī)或螺旋絞龍）相比較正壓輸送有著入倉(cāng)切換靈活可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)卸料、無(wú)殘留、密閉輸送等優(yōu)點(diǎn)。但羅茨風(fēng)機(jī)正壓輸送是利用羅茨風(fēng)機(jī)內(nèi)的兩個(gè)葉片連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)將空氣從一側(cè)吸入，從另一側(cè)壓出，以此來形成一種較高壓力的輸送氣體，在氣體擠壓過程中其溫升會(huì)隨著壓縮比的增加而增加。資料[1]顯示，在羅茨風(fēng)機(jī)升壓 30～98 kPa、環(huán)境溫度 10～40 ℃的范圍內(nèi)，排氣壓力每增加10 kPa，排氣溫度約上升6 ℃；環(huán)境溫度每增加 10 ℃，排氣溫度約上升11 ℃。尤其是夏季羅茨風(fēng)機(jī)排氣溫度可達(dá)到 70～90 ℃，同時(shí)高溫不利于小麥粉品質(zhì)的儲(chǔ)存。

目前整個(gè)小麥粉加工行業(yè)對(duì)于正壓輸送高溫問題沒有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，小型廠家由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的原因需求不明顯，再加上投入改造資金有限所以基本沒有做處理；中大型小麥粉加工廠家已越來越重視，采取的方式多樣取得的效果參差不齊，未形成自動(dòng)化控制的閉環(huán)[2]。尤其是地處南方的小麥粉加工廠感觸更深、需求更加的迫切。有些廠家在羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口加裝制冷設(shè)備但效果不理想；廣州嶺南穗糧股份有限公司自2013年投產(chǎn)以來，經(jīng)過多年的生產(chǎn)實(shí)踐和與行業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)院校進(jìn)行交流探討，從最初的單套嘗試采用作為試點(diǎn)，到后續(xù)的全面采用以及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的過度，本文從企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用并經(jīng)過長(zhǎng)期的改進(jìn)完善，擬建立一套完整的自動(dòng)化控制水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，以期解決羅茨風(fēng)機(jī)正壓輸送產(chǎn)生高溫對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響的問題。

1 材料與方法

1.1 供試生產(chǎn)線

年產(chǎn)30萬(wàn)t小麥加工生產(chǎn)線：廣州嶺南穗糧谷物股份有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

SSR型羅茨風(fēng)機(jī)：山東章丘鼓風(fēng)機(jī)股份有限公司；熱交換器及GC型冷卻器機(jī)組：鄭州康維糧食機(jī)械有限公司；LBFS-01型漏液傳感器：堡盟電子（上海）有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

在各個(gè)羅茨風(fēng)機(jī)的出口加裝熱交換裝置，以水為介質(zhì)對(duì)熱空氣進(jìn)行對(duì)流冷卻，再加裝冷卻塔對(duì)熱交換裝置出來的熱水進(jìn)行冷卻，從而形成水循環(huán)冷卻系統(tǒng)。根據(jù)配粉系統(tǒng)羅茨風(fēng)機(jī)出風(fēng)總量與水循環(huán)冷卻系統(tǒng)處理風(fēng)量相等的原理，設(shè)計(jì)水循環(huán)冷卻系統(tǒng)處理風(fēng)量。同時(shí)，根據(jù)自動(dòng)化原理，優(yōu)化系統(tǒng)布局，形成一個(gè)完整的自動(dòng)化控制水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，并進(jìn)行驗(yàn)證應(yīng)用。

利用車間PLC系統(tǒng)將正壓輸送工段設(shè)備啟停與水循環(huán)冷卻系統(tǒng)啟?？刂七M(jìn)行互鎖，在水循環(huán)冷卻系統(tǒng)管道中安裝電子閥門、熱交換器前后安裝溫濕度傳感器進(jìn)行運(yùn)行過程的監(jiān)控，當(dāng)溫度發(fā)生變化、熱交換器內(nèi)部出現(xiàn)漏液故障時(shí)對(duì)應(yīng)傳感器發(fā)出信號(hào)反饋給PLC控制系統(tǒng)，彈窗報(bào)警信息，從而互鎖控制水循環(huán)冷卻系統(tǒng)和工段設(shè)備，實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程的閉環(huán)。

2 水循環(huán)冷卻系統(tǒng)

2.1 水循環(huán)冷卻系統(tǒng)組成

2.1.1 冷卻塔結(jié)構(gòu)

水循環(huán)冷卻系統(tǒng)的冷卻塔結(jié)構(gòu)如圖1所示，由冷卻水塔（內(nèi)含管道泵）、熱交換器，水泵、電子元件和相應(yīng)的管道組成，以軟水（去離子水、蒸餾水）作為內(nèi)循環(huán)用水。

冷卻塔將內(nèi)循環(huán)水冷卻后（水溫不超過 30 ℃，可通過冷卻塔出水溫度計(jì)的反饋來調(diào)節(jié)軟水冷卻后的溫度[3]），經(jīng)過管道泵輸送至換熱器。自換熱器出來的內(nèi)循環(huán)水回到冷卻塔，在冷卻塔內(nèi)噴淋泵將噴淋水（可使用自來水）噴灑到蛇形熱交換器管壁外（管內(nèi)走內(nèi)循環(huán)水），在散熱風(fēng)扇的作用下，蛇形熱交換器管壁外的噴淋水蒸發(fā)吸收大量的蒸發(fā)潛熱，使蛇形熱交換器管內(nèi)的內(nèi)循環(huán)水冷卻降溫， 冷卻后的內(nèi)循環(huán)水經(jīng)過管道泵再輸送至換熱器，從而持續(xù)地將經(jīng)過換熱器的熱空氣冷卻，內(nèi)循環(huán)水一直循環(huán)利用，可以節(jié)省用水量，在噴淋水噴淋期間，會(huì)散失一定的噴淋水量，通過設(shè)置浮球水位開關(guān)，當(dāng)水位低于一定量時(shí)，自動(dòng)補(bǔ)充水量，從而避免循環(huán)泵空轉(zhuǎn)，造成設(shè)備損壞。

2.1.2 翅片式熱交換器結(jié)構(gòu)[4]

翅片式熱交換器如圖2所示，主要由翅片、導(dǎo)流管、18組蛇形管道組成。冷水進(jìn)入熱交換器后，由導(dǎo)流管分別導(dǎo)流到18組蛇形管道內(nèi)，經(jīng)過熱交換后，熱水再匯集到出水導(dǎo)流管，通過內(nèi)循環(huán)管道輸送到冷卻塔進(jìn)行冷卻，再循環(huán)利用，每組蛇形管道上都裝有翅片，其主要工作原理是具有擴(kuò)展的二次傳熱表面（翅片），在熱空氣熱交換過程中，不僅僅在蛇形管道表面上的傳熱，同時(shí)，也在二次傳熱表面上進(jìn)行，這大大擴(kuò)大了傳熱面積，提高了傳熱效率。

翅片式熱交換器的主要優(yōu)點(diǎn)：一是傳熱效率高，由于翅片對(duì)流體的擾動(dòng)使邊界層不斷破裂，因而具有較大的換熱系數(shù)；同時(shí)翅片很薄，具有高導(dǎo)熱性，所以使得板翅式換熱器可以達(dá)到很高的效率。二是設(shè)備緊湊布局合理，以環(huán)繞形式安裝板翹大幅度增加導(dǎo)熱面積。由于板翅式換熱器具有擴(kuò)展的二次表面，使得它的比表面積可達(dá)到1 000 m2/m3。三是耐腐蝕，熱交換器管道采用不銹鋼管道，雖然導(dǎo)熱性比銅較差，但仍能有效地將壓送熱氣流的溫度從 70～90 ℃降低到40 ℃以內(nèi)，而且內(nèi)部結(jié)構(gòu)光滑不易結(jié)垢。

2.2 水循環(huán)冷卻系統(tǒng)的自動(dòng)化控制

水循環(huán)冷卻自動(dòng)化控制系統(tǒng)如圖3所示，主要由冷卻塔自動(dòng)啟停、內(nèi)循環(huán)泵自動(dòng)啟停、各配粉系統(tǒng)中熱交換器前后電子水閥、溫濕度感應(yīng)器、漏液感應(yīng)器、PLC控制系統(tǒng)等組成。

2.2.1 啟停控制

本系統(tǒng)啟停控制的核心是：將整個(gè)水循環(huán)冷卻系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施、電器元器件科學(xué)組合，關(guān)鍵環(huán)節(jié)增設(shè)漏液、溫濕度、電子水閥等電器元件，融合到現(xiàn)有生產(chǎn)線PLC控制系統(tǒng)互鎖，形成正常啟停控制、運(yùn)行過程監(jiān)控、異常信息反饋的閉環(huán)。同時(shí)通過溫度傳感器反饋信號(hào)實(shí)時(shí)做出調(diào)整（詳見2.2.3），確保整改水循環(huán)冷卻效果。

水循環(huán)冷卻自動(dòng)控制系統(tǒng)的開機(jī)與停機(jī)，當(dāng)設(shè)置循環(huán)冷卻自動(dòng)控制系統(tǒng)與配粉系統(tǒng)處于聯(lián)動(dòng)時(shí)，總控電腦配粉PLC系統(tǒng)開機(jī)按鈕啟動(dòng)，首先啟動(dòng)水循環(huán)冷卻系統(tǒng)然后啟動(dòng)配粉系統(tǒng);停機(jī)則相反（按上述啟動(dòng)倒序關(guān)閉）。

2.2.2 冷熱交換、漏液感應(yīng)控制

熱交換器溫濕度監(jiān)控及漏液監(jiān)控互鎖控制如圖4所示，PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全過程監(jiān)控和互鎖啟停保護(hù)，最大限度地保證了生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行和產(chǎn)品質(zhì)量。由于羅茨風(fēng)機(jī)輸出的熱空氣需要經(jīng)過熱交換器降溫，再輸送面粉進(jìn)粉倉(cāng)，當(dāng)熱交換器在工作時(shí)，熱交換器內(nèi)充滿著循環(huán)的液體冷卻介質(zhì)，一旦熱交換器出現(xiàn)泄漏，液體與面粉就會(huì)混合在一起，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，將造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。而針對(duì)漏液這問題，廣州嶺南穗糧谷物股份有限公司面粉部技術(shù)人員組織機(jī)修班組人員在每個(gè)配粉系統(tǒng)中的水冷熱交換器進(jìn)水口和出水口都裝有電子水閥和手動(dòng)水閥，面粉正壓輸送管道在進(jìn)水冷熱交換器的前端裝有漏液傳感器，在出水冷熱交換器后端裝有溫濕度傳感器。

漏液傳感器信號(hào)反饋與控制如圖5所示。當(dāng)水冷熱交換器出現(xiàn)漏液，漏液傳感器感應(yīng)到時(shí)，即時(shí)傳輸反饋信號(hào)到PLC總控，總控室報(bào)警器報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)第一時(shí)間發(fā)送關(guān)閉信號(hào)給電子水閥及其相應(yīng)的內(nèi)循環(huán)泵，命令停止內(nèi)循環(huán)水泵壓送，然后關(guān)閉相應(yīng)的設(shè)備設(shè)施及電子水閥，在此期間，工作人員接受到報(bào)警信號(hào)，必須到現(xiàn)場(chǎng)檢查，同時(shí)將手動(dòng)水閥關(guān)閉，達(dá)到雙層保險(xiǎn)，從而達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)及時(shí)處理的效果，減少經(jīng)濟(jì)損失。然后在PLC界面進(jìn)行報(bào)警信息消除復(fù)位系統(tǒng)才能恢復(fù)運(yùn)行（不啟動(dòng)水循環(huán)冷卻系統(tǒng)狀態(tài)）。

2.2.3 溫濕度感應(yīng)信號(hào)反饋與控制

溫濕度信號(hào)反饋與控制如圖6所示。水循環(huán)冷卻系統(tǒng)通過PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行全過程的溫度監(jiān)測(cè)，根據(jù)溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)采集反饋，可在控制界面按生產(chǎn)需求設(shè)定的溫度值范圍，實(shí)現(xiàn)良好穩(wěn)定的運(yùn)行與溫控。該自動(dòng)控制水循環(huán)冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行控制，可以在總控電腦設(shè)定溫度，當(dāng)經(jīng)過熱交換器后的空氣溫度低于或高于設(shè)定溫度時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)將開啟或關(guān)閉對(duì)應(yīng)電子水閥，減少或增加內(nèi)循環(huán)管道的長(zhǎng)度及水流的阻力。同時(shí)通過控制變頻器可以調(diào)節(jié)內(nèi)循環(huán)泵和冷卻泵的轉(zhuǎn)速，提高熱交換器的冷卻效果，從而達(dá)到設(shè)定的溫度目標(biāo)值。

2.3 應(yīng)用驗(yàn)證

將本系統(tǒng)應(yīng)用于小麥粉加工生產(chǎn)線中，經(jīng)監(jiān)測(cè)，溫度達(dá)到了設(shè)定的目標(biāo)值。未安裝前正壓輸送系統(tǒng)壓送管道溫度高達(dá)70 ～ 90 ℃，小麥粉在此輸送過程中水分損耗大，經(jīng)復(fù)配混合后的小麥粉中含有酶制劑、維生素等熱敏成分也受到高溫的影響，甚至在面粉后續(xù)的儲(chǔ)存過程中出現(xiàn)凝結(jié)、結(jié)拱等現(xiàn)象；最終影響面制品口感、結(jié)構(gòu)、出品等。經(jīng)改造安裝后壓送管道溫度降低至40 ℃以下。完全滿足生產(chǎn)需求，消除了因正壓輸送高溫帶來的困擾，保障了產(chǎn)品質(zhì)量[5]。

3 結(jié) 論

本文的核心是：整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟停、漏液防護(hù)、過程監(jiān)控跟蹤、自動(dòng)調(diào)整循環(huán)冷卻運(yùn)行狀態(tài)（詳見2.2.3）等；為穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行和穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量提供了保障。生產(chǎn)線經(jīng)改造安裝水循環(huán)冷卻系統(tǒng)后，采用生活飲用自來水作為水源，自動(dòng)補(bǔ)水；循環(huán)水通過翹片式熱交換器進(jìn)行熱交換消除羅茨風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的熱量，從熱交換器出來的循環(huán)水經(jīng)過室外冷卻塔噴淋冷卻。水循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行成本較低，除開前期的投入和折舊外，日常運(yùn)行成本主要是水泵電費(fèi)、管道設(shè)施磨損、少量自來水。

隨著現(xiàn)代食品工業(yè)的發(fā)展和小麥粉制粉行業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的完善與進(jìn)步，人工成本的增加以及不穩(wěn)定因素的增加，無(wú)人工廠已儼然成為未來發(fā)展的趨勢(shì)，如何使各系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。通過以上方案有效地解決了小麥粉加工工藝過程正壓輸送高溫對(duì)面粉品質(zhì)的影響和高溫對(duì)食品添加劑效果的影響，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了水循環(huán)冷卻系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)過程的閉環(huán)管理，有效提升了生產(chǎn)的穩(wěn)定性并減少了損失，為小麥粉加工企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益。