小中大全自动CIP系统设计要点浅析
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：
