杀菌机是啤酒包装生产线上的关键设备之一，既是啤酒企业能耗、水耗的重点耗能设备，又是保证啤酒产品质量的最后一道处理设备。其主要任务是在保持啤酒原有口味和风味的前提条件下，通过适度的巴氏杀菌，灭活啤酒中微生物数量，以达到延长啤酒的保质期的目的。与此同时，在保证啤酒产品质量的前提下尽量少地消耗蒸汽、电能、水资源，以实现节能降耗的目标。
在啤酒包装车间除了洗瓶机外，杀菌机在蒸汽、电能、水资源等方面消耗占比较大。若杀菌机设备在设计制造上存在缺陷，加之操作不当，水资源会超过洗瓶机。多年来国内许多啤酒企业一直都在研究和改进啤酒杀菌机的性能，以使啤酒杀菌机在保证产品质量的前提下，减少蒸汽、电能、水资源的消耗。伴随国家供给侧的改革和企业进行升级改造的需要，企业加大了技改资金的投入，并与科研院所联合开展产学研实践活动，以啤酒杀菌机为例，从杀菌机的机械结构、控制原理、流体动力学、传热学等方面进行分析，将其分析结论应用于杀菌机的技术改造。现场运行效果表明，在降低能源和水的消耗的同时，明显提升了啤酒产品质量。
通过仔细分析杀菌机在生产准备阶段和正常运行阶段的工况参数，发现存在以下问题：
1.杀菌机在生产准备阶段电耗、水耗和蒸汽消耗量偏大，主要是由于生产准备时间过长，造成这一现象的主要原因是加水和启动水泵的方式不合理。
目前杀菌机在准备生产阶段，如图1所示，首先是将各水箱进水阀（阀体为绿色表示阀门处于开状态）打开并关闭溢流水阀，向冷水缓冲槽、温水缓冲槽、热水缓冲槽注水，一直加注到高液位H1=820mm（液位高于各水箱之间的隔板和缓冲槽与小水箱之间的隔板），主要是防止小水箱中的水在各温区水泵启动时会将小水箱（有效容积0.25m3）的水抽干而造成水泵无水运转烧毁水泵。当各缓冲水槽和小水箱达到高液位H1=820mm后，启动各台水泵和热水泵，这时因水位高，缓冲槽的水会经隔板不断地补充到小水箱中，有效避免了水泵无水运转的现象。待运行稳定，打开溢流水阀，排掉多余的水至运行液位H2=580mm，由此造成水的浪费和消耗。待缓冲槽液位降至运行液位后，开启加热薄膜阀，如图2所示，进行循环喷淋加热，这种加热方式必然造成大量的热扩散到空气中，在消耗更多蒸汽的同时还会延长生产准备时间。待热水缓冲槽水温加热到70℃，生产准备就绪，此时用时一般在1h左右。
可以发现，这种加水、加热和启动水泵的方式使得在生产准备期间，各温区水泵启动过早（一般空车运转50min左右），对于10温区杀菌机（需多耗电50kW·h）。另外，因在加热时各温区水泵均开启，会将冷水缓冲槽和温水缓冲槽水温大幅度升高，消耗过多蒸汽，而在生产阶段初期，需不断加自来水降低出口酒温而造成较大能耗。
2.杀菌机出现故障，重新投入运行恢复时间过长，一般需要20多分钟，影响生产效率，主要是杀菌机各小水箱（有效容积0.25m3）容积小。为了防止杀菌机在启动时抽干小水箱的水，在重新启动前必须将水加注超过小水箱和缓冲水箱的隔板至高液位H1=820mm,重复上述生产准备阶段的步序和过程会再次产生过多的电耗、水耗和蒸汽消耗。
3.冷水缓冲槽水温偏高，特别是夏季水温经常超过40℃。当最后两个温区需要降温和第一、二温区缺水时，会启动冷水泵给温区降温和补水，因冷水缓冲槽和温水缓冲槽之间有连通管（直径为150mm），如图2所示，冷水泵运行时会产生离心抽力把温水缓冲槽近50℃的水拽到冷水缓冲槽中，逐步提升冷水缓冲槽的水温至40℃，无法使用冷水缓冲槽的水来降温和补水，只能用自来水来降温和补水，造成进一步的水耗。
4.当满负荷运行时，高温区（四温区）经常因水流量小，加热能力不够而出现掉温现象（即使加热气动薄膜阀全开，喷淋水温也升不到设定温度值），特别是冬季。如图2所示，热水从热水缓冲槽依靠水泵打到杀菌机各个温区，中间要经过薄板式热交器进行加热。因薄板式热交器流阻大，热水经过薄板式热交器水压损失大，流速慢，沿途各杀菌温区和高温区都需要用热水加热，造成单位时间流向高温区的热水量偏小，不足以满足其加热量而使该温区水温达不到设定水温。
5.包装生产线杀菌机后端设备故障停机致使杀菌机停机。为防止啤酒中过度杀菌，传统方式是频繁升降高温区和杀菌温区的水温，这将造成过多的水耗和蒸汽消耗，并影响啤酒的口味和风味，就像蒸馒头一样频繁地关火和开火，蒸出来的馒头肯定不好吃。
通过与杀菌机厂家和杀菌机操作人员的技术交流与沟通，仔细分析了杀菌机的机械结构和热平衡结构，利用现代控制理论、流体动力学、传热学理论，针对上述存在的问题，提出以下改进方案：
1.将原有的加热输送泵（7.5kW）改为一台循环加热泵（4kW）和一台热水输送泵（3kW）。如图3所示，很明显此项改动使电能按正常生产全年大约可节约电1000kW·h。因改为循环加热方式，无需兼顾输送热水的功能，如图3所示，当水加注到热水缓冲槽低液位（H3=180mm超过水泵进水口）即可启动。循环加热泵从开始加水到开始加热的准备时间大约为5min（与自来水的压力有关），同时打开相关的热水阀进行循环加热。
为了减少热量扩散，如图4所示，不启动各温区水泵，不会产生因热水喷淋的热损失并可快速提升热水缓冲槽的水温至80℃，以实现边加水边加热的操作模式，大大缩短了杀菌机准备阶段的时间，一般不到20min即可将杀菌机准备至运行状态；因准备阶段不开启各温区水泵，全年可节电大约1万多kW·h；无需将缓冲槽加水至高液位，只需加水到运行液位即可达到运行条件。特别是此时冷水缓冲槽和温水缓冲槽之间的连通管上的连通阀处于关闭状态，冷水缓冲槽处于无水状态，这样在准备阶段可每天节约水近9t，全年按200天生产，可节约水1800t。
2.重新设计控制程序以改变向杀菌机各温区小水箱和各缓冲加水、加热方式和各温区水泵启动方式。如上所述，当杀菌机投入运行状态时启动各温区水泵。为避免水的浪费，如图5所示，按一定时间间隔采用成对有序启动水泵。在启动这一对水泵时，只开启此对水泵对应小水箱的进水阀门。经理论计算，在充分考虑最远端1号和10号水箱水泵之间管路有效容积，冷水阀热水阀的补水量以及水泵每秒打出的水量的情况下，得出水泵在启动阶段不会出现无水空转的结论。一年多的现场实际运行情况表明，从未出现任何水泵故障，说明改进后的启动方式对水泵的寿命无任何不良影响。
3.在冷水缓冲槽和温水缓冲槽的连接管道上增加一气动蝶阀。在杀菌机运行过程中，当冷水泵启动时，关闭此连通阀；当温水缓冲槽液位处于低液位时，打开此连通阀，确保无温水缓冲槽的高温水流向冷水缓冲槽，可维持冷水缓冲槽的水温在25℃左右，同时降低杀菌机运行过程中自来水的消耗。
4.增加一台热水输送泵，因无需经过薄板式热交器，提高了热水输送能力。现场实际运行结果表明，杀菌机高温区在冬季再未出现过掉温现象，能实现快速升温，为实现精确的PU值控制提供物质支撑。
5.建立传热学物理模型，改善PU值计算模型，实现了节能型PU值控制技术。设计思路：针对目前国内杀菌机一般为（10～12）个温区，本文将杀菌机的运行过程看成（10～12）个相关联的、有初始条件（第一温区入口处的酒温）和第三类边界条件（各温区喷淋水的温度）的不稳定导热过程。根据传热学不稳态导热的基本原理可知，导热微分方程式连同初始条件和边界条件一起就可以完整地描述一个特定的非稳态导热问题。为了简化计算，假设瓶内部的导热热阻远小于其表面的换热热阻，即瓶内部温度趋于一致，即可以认为需要计算的瓶内温度是冷核所在位置的温度。这样所要求解的温度仅仅是时间τ的一元函数，而与位置坐标无关。根据传热学中不稳态导热的集总参数法，就可以求解瓶内冷核点的温度，并根据不同工况、不同瓶型加入修正因子，将瓶内酒温修正到实际值，最后，根据酒温通过PU值计算公式计算出杀菌过程中动态的PU值。
基于喷淋水和啤酒酒温之间热传导的数理描述，酒温和PU值会根据冷核点进行计算，每15s计算一次。为得到啤酒瓶在杀菌机运行的酒温和PU值的曲线，将杀菌机分成几百个区域，每一个区域代表一个计算阵列。当机器运行时，这些区域会根据机器速度移动，以时间来确定酒瓶的位置和计算在这些位置的酒温和PU值，这样即可得到啤酒在杀菌机中运行的酒温和PU值曲线。为了提高生产效率、降低水耗和能耗，以及保持啤酒的风味，笔者认为在故障停机时，不应通过频繁地降温和升温来实现PU值的准确控制，而应采取故障停机时在啤酒未达到目标PU值之前，各个温区均不降温，保持杀菌机连续生产的控制模式，当某一温区最低PU值区域达到目标PU值时，开始降温。只有当出现温区中某区域计算PU值低于目标PU值时，开始升温到满足目标PU值的温度设定值，以实现精确的PU值控制。这样避免了当故障解除后杀菌机还须等待温度回升到目标值后才能运行的现象，提高了生产效率。
根据啤酒企业的生产特点，本文以每天生产10个小时来统计，通过上述对杀菌机改造前后的对比分析，并对现场实际运行获取的数据进行了整理分析，得到了杀菌机每天能耗数据统计对比数据，如表1所示。由表1可知，改造后对杀菌机整机性能有明显提升，特别是在生产准备阶段效果显著。
本文通过对现有3.6万瓶/小时集中加热啤酒杀菌机生产运行中存在的问题，从机械结构、控制原理、流体动力学、热传学等方面进行理论分析，提出了节能性的PU值控制技术和节能改进方案，并运用到多条啤酒生产线中。三年多的现场运行证明所述的技术和方案在保证产品质量和口味风味前提下，提高了杀菌机运行效率，全年生产按200天计算可节约水2782t、电34420kW·h、水蒸气1176t，为啤酒杀菌机的升级改造提供了技术支撑，也为工业企业进行节能降耗提升产品质量的技术改造提供了示范。
