CN102325471B - 监控巴氏灭菌设备的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种监控巴氏灭菌设备的功能的方法，并且涉及一种具有监控所述功能的装置的巴氏灭菌设备，其提供了一种快速且简单的检测故障的方法。为了这个目的，计算资源消耗量特别是能量和/或水消耗量的理论期望值，确定实际值，并且通过期望值和实际值之间的偏差来推断巴氏灭菌设备的故障。

Description

监控巴氏灭菌设备的方法和装置

技术领域

本发明涉及监控巴氏灭菌设备的功能的方法和装置。

背景技术

目前为止，巴氏灭菌设备如隧道式巴氏灭菌设备的能量和水的消耗量仅被测量和记录，然而，操作员负责利用这些信息来分析和评估巴氏灭菌设备的性能。每年这样做很少会超过一至二次。另外，操作员负责判定哪些数值仍然是可以接受的，或者哪些数值可能指示巴氏灭菌设备的故障。因此，必然会发生资源损失，如能量和水的损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种监控巴氏灭菌设备的功能的方法和一种装备有监控所述功能的相应装置的巴氏灭菌设备，借助本发明可以快速且简单地监控巴氏灭菌设备的功能并可以及早检测出故障。

本发明提供一种监控用于产品如容器或瓶子的巴氏灭菌设备的功能的方法，其中，计算资源消耗量特别是能量和/或水消耗量的理论期望值，确定资源消耗量的实际值，并且通过期望值和实际值之间的偏差来推断巴氏灭菌设备的故障。

优选地，在巴氏灭菌设备的主热交换系统的区域中确定资源消耗量的实际值。

优选地，经由通过主热交换系统的体积流量和主热交换系统中的温差来确定能量消耗量的实际值。

优选地，其中通过测量清水供应的体积流量来确定水消耗量的实际值。

优选地，将产品处理分成多个区域，并且关于所述区域处理实际值和期望值。

优选地，经由每个产品的能量消耗量来计算能量消耗量的理论期望值。

进一步优选，经由产品温度来计算能量消耗量的理论期望值，其中，通过结合至少一个区域的温度和预先确定的传热参数来检测所述产品温度。

优选地，经由向环境的能量消耗量来计算能量消耗量的理论期望值。

优选地，经由产品处理的区域间的能量损失来计算能量消耗量的理论期望值。

优选地，如果总能量消耗量为负，则计算水消耗量的理论期望值。

优选地，经由待冷却产品和清水温度的温差来计算水消耗量的理论期望值。

本发明提供一种用于产品如容器或瓶子的巴氏灭菌设备，包括监控前述方法的执行的功能的装置，其中，所述装置包括用于确定主热交换系统的区域中的体积流量和温差的测量装置。

优选地，所述装置包括用于确定产品温度的温度测量器件。

优选地，所述装置包括用于巴氏灭菌设备的环境的温度测量器件。

进一步优选，所述装置包括用于清水的温度测量器件。

根据本发明的装置建立一种用于部件的可能故障的预警系统，借助所述系统可以确定资源消耗量并且将其与理论期望值相比较。本发明允许利用这样一种数学模型：其可以在操作员获得关于资源如能量和水的“正常”消耗量的丰富经验以便评估何时会由于设备中的错误而引起消耗量增加之前，就确定设备的故障。通过根据本发明的实施例，可以为整个巴氏灭菌设备制定数学模型，使得可以监控在出现故障的情况下导致资源消耗量增加的所有（重要）功能。用这种方式，操作员能够及早采取补救措施。

利用本发明，可以自动分析和评估当前消耗量并且只要检测出在消耗量的实际值和理论期望值之间存在偏差就发出警告信息，这通常可以在一两个小时内实现。由此，操作员能够立刻校正可能的部件错误，从而避免资源如能量和水的数月损失。

隧道式巴氏灭菌设备包括产品（例如容器或将在下文中假定为瓶子）成排通过的处理区域，对于该巴氏灭菌设备，基于产品温度的数学模型，以数秒的时间间隔计算隧道式巴氏灭菌设备中的每排瓶子的当前产品温度。这依次用于计算理论能量消耗量。

对于隧道式巴氏灭菌设备的每个区域中的所有排瓶子，合计每排瓶子的理论能量消耗量。这会导致每个区域的理论能量消耗量为正或负。每个区域的理论能量消耗量可以为正或为负。如果其为负，则将其转换为用于冷却的理论水消耗量。如果其为正，则将其转换为用于加热的理论能量消耗量。

之后，在该特定区域内，在每种情况下将每个区域的得到的理论的水和能量的消耗量与测量到的水和能量的消耗量相比较。如果实际的水或能量的消耗量高于理论消耗量，则显示或生成报警信息。

这允许操作员比在正常工序中可能的更早地检测出潜在的部件故障或物件损坏。通常每两到三个月监控和分析巴氏灭菌设备的水和能量的平衡一次。这就导致了在检测出问题或找到并能够消除问题的起因之前的长时间段内能量或水的消耗量过高。

通过本发明，巴氏灭菌设备获得这样一种装置，借助所述装置可以在一天内检测出过多的能量和水的消耗量并且可以实施合适的对策以避免能量和水的损失扩大。

下面将对能量和水的消耗量的测量作详细描述，之后是对消耗量的理论期望值的计算。

能量消耗量的实际值的测量

通过合适的测量装置经由通过中央热交换供应系统（CHESS）的体积流量和中央热交换供应系统中的温差来测量实际能量消耗量。由以下公式（1）计算总能量消耗量：

Q_H=mC_PdTη

        (1)

其中，m是通过热交换系统的质量流量，C_p是水的热容，dT是热交换系统中的温差，而η是热交换系统中的热交换器的特性(performance)。

如果给定实际的总能量，则其必然被分配给各独立的区域。总流量是流入各独立区域的流量的和，其由公式（2）预先确定：

其中，F是总流量(total flow)，f_i是通过被检查区域i的冷却阀的最大流量，v_i是区域i的冷却阀的开度（在0到1之间），而

是区域i中所确定的阀的构造因子，取决于水系统的状况。

之后通过单独区域的流量由公式（3）求得：

然后将总能量分配给各独立的区域：

q_i=Q_Hf_i/F_Total

         (4)

实际水消耗量的测量

通过在清水导管中的流量计来测量实际水消耗量的实际值。将该总流量分配给各独立的区域：

能量消耗量的理论期望值的计算

能量消耗量的理论期望值由以下三部分组成：产品的能量占有量、向环境的能量损失，以及区域间的能量损失。

产品的能量占有量

对于每一个工序步骤，通过由温度测量器件测量出的前后温度(T_content与T_content-OLD)的差来计算产品的能量消耗量。当每个工序步骤的循环时间为1秒时，流入到产品中的能量流可以用公式（6）容易地计算出：

Q_p=m_PC_P(T_content-T_{content_OLD})

          (6)

上述值必须与以下并排位于设备中的产品的数目依次相乘：

$n=\frac{D_{P}b{n}_{\mathrm{decks}}\mathrm{\θ}}{\frac{{D_P}^2}{4}\mathrm{\π}}---\left(7\right)$

其中，D_p是产品的直径，b是巴氏灭菌设备的处理宽度，n_decks是板(decks)的数目，而θ是体积密度(bulk density)或体积比(bulk factor)。

每个区域（zone）内的所有产品须满足以下公式：

$Q_{P,\mathrm{Zone}}=\underset{\mathrm{Rows\; in\; zone}}{\mathrm{\Σ}}{Q}_{P}n---\left(8\right)$

并且所有产品排的和的总能量消耗量须满足以下公式：

$Q_{P,\mathrm{TOT}}=\underset{\mathrm{MaxAUZ}}{\mathrm{\Σ}}{Q}_{P}n---\left(9\right)$

体积比或体积密度分别是正确计算所需要的重要信息。因此，必须执行对进入巴氏灭菌设备的产品的数目的测量。这可以通过巴氏灭菌设备的进入口处的产品计数器来执行；或者，利用巴氏灭菌设备上游的灌装机的速度作为用于巴氏灭菌设备本身的时移信号来执行。

向环境的能量损失

对于每个区域，向环境的能量损失由公式（10）求得：

Q_L=kA_Z(T_Z-T_env)

         (10)

其中，k是指向环境的传热系数，T_Z是指区域内的温度，T_env是指环境的温度，而A_Z是指区域的面积。

必须合计所有区域的值来得到巴氏灭菌设备的总能量损失：

$Q_{L,\mathrm{TOT}}=\underset{\mathrm{AZ}}{\mathrm{\Σ}}{Q}_L---\left(11\right)$

这里最重要的信息是，存在必须借助温度测量器件执行环境温度测量。

邻近区域间的能量损失

邻近区域间的能量损失通过区域间的传热系数以及由温度测量器件确定的确定区域相对于前一个区域以及相对于后一个区域的温差来计算：

Q_N=k_NA_N(T_Z-1-T_Z)+k_NA_N(T_Z-T_Z+1)

                      (12)

其中，k_N是区域间的传热系数，T_Z是区域温度，而A_N是区域间的传热面积（断面面积）。

必须合计所有区域的值来获得巴氏灭菌设备的总能量损失：

$Q_{N,\mathrm{TOT}}=\underset{\mathrm{AZ}}{\mathrm{\Σ}}{Q}_N---\left(13\right)$

区域的总能量消耗量

每个区域的总能量消耗量是如上述计算出的总能量消耗量的和：

Q_Z,TOT=Q_P+Q_L+Q_N

               (14)

水消耗量的理论期望值的计算

如果区域的总能量消耗量为负，则“冷却”能量被转换成清水消耗量。该消耗量是通过必须被冷却的区域和清水(freshwater)的温度之间的温差与水的热容相乘而近似得到的，以获得用于冷却而必须提供的负能量消耗量所要求的值的水的比例：

m_freshwater=Q_Z,TOT/(C_PdT)

                          (15)

能量消耗量的理论期望值与实际值的比较

为了分析巴氏灭菌装备当前的运行状态，将每个区域的实际能量消耗量与该区域的能量消耗量的理论期望值相比较。如果差值大于预定时间段的预定百分比，则发出警报。

如果对区域水平执行该分析，则操作员得到了问题所在位置的指示。

错误恢复实例

如果某个区域消耗了与理论期望值相比过多的能量，则这可能指示了如下的其中一个问题：

-同一个区域（如果其是巴氏灭菌区域）或者对应的再生（稳定）区域（如果其是再生（稳定）区域）中的冷却阀可能泄漏。系统没有检测出的冷水的额外引入被该区域增加的能量消耗量所抵消。

-该区域与其邻近区域（更冷的）之间的水可能出现了混合。系统没有检测出的冷水的额外引入被该区域增加的能量消耗量所抵消。

如果某个区域消耗了与理论期望值相比过多的水，则这可能指示了如下的其中一个问题：

-同一个区域（如果其是巴氏灭菌区域）或者对应的再生（稳定）区域（如果其是再生（稳定）区域）中的加热阀可能泄漏。系统没有检测出的热水的额外引入被用于冷却该区域的增加的水消耗量所抵消。

-该区域与其邻近区域（更热的）之间的水可能出现了混合。系统没有检测出的热水的额外引入被用于冷却该区域的增加的水消耗量所抵消。

在整个设备的范围内，如果将总能量消耗量的实际值与能量消耗量的理论期望值相比较，则总能量消耗量的实际值也可以用于发现问题。

如果整个巴氏灭菌设备的实际能量消耗量大于总能量消耗量的理论期望值，这可能指示了如下的其中一个问题：

-热交换器被阻塞并且不能确保期望的流量通过系统。

-巴氏灭菌设备的缓冲系统已经出现了结构问题，并且在缓冲系统中存在水的混合。

具体实施方式

使用实例

图1示出了与消耗量的期望值相比的所记录的总能量消耗量。在正常运行中，该结果显示了由本发明的方法计算出的用虚线图示的能量消耗量的理论期望值（1）和用实线表示的能量消耗量的实际值（2）之间良好的一致性。

图2示出了如何可以利用在理论（1）消耗量和实际（2）消耗量之间缺少一致性来表示警报的实例，所述警报显示了在本系统中的操作员必须寻找可能的部件错误。在图2中，表示了区域中的各种关系，在图中的右部，与理论期望值相比，测量到的能量消耗量突然增加。

代替或者除了根据图2的曲线的图示以外，柱形图表也可以用于表示这些偏差，例如，以柱体的方式，并且用红色图示期望值的超出部分。

结论

通过计算和比较各独立的区域及整个巴氏灭菌设备的理论的能量和水的消耗量，制定一个可能的部件故障的预警模型。当操作员收到指示错误的警告时，可以大大地减少隧道式巴氏灭菌设备的能量和水的损失。

不是在分析并且与较早时期比较能量和水的平衡之前等待数月，现在能够在问题出现的当天获知问题并定位，从而使得能量和水的损失最小化。

Claims (11)

1.一种监控用于产品如容器或瓶子的巴氏灭菌设备的功能的方法，其中，通过计算理论期望能量消耗量来计算资源消耗量的理论期望值，其中，通过产品的能量占有量、向环境的能量损失和/或所述巴氏灭菌设备的区域间的能量损失之和来计算所述理论期望能量消耗量，

经由通过主热交换系统的体积流量和主热交换系统中的温差确定能量消耗量的实际值来确定资源消耗量的实际值，并且

通过期望值和实际值之间的偏差来推断巴氏灭菌设备的故障。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在巴氏灭菌设备的主热交换系统的区域中确定资源消耗量的实际值。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中通过测量清水供应的体积流量来确定水消耗量的实际值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将产品处理分成多个区域，并且关于所述区域处理实际值和期望值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，经由产品温度来计算能量消耗量的理论期望值，其中，通过结合至少一个区域的温度和预先确定的传热参数来检测所述产品温度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果总能量消耗量为负，则计算水消耗量的理论期望值。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，经由待冷却产品和清水温度的温差来计算水消耗量的理论期望值。

8.一种用于产品如容器或瓶子的巴氏灭菌设备，其特征在于包括监控根据权利要求1至7中的任一项所述的方法的执行的功能的装置，其中，所述装置包括用于确定主热交换系统的区域中的体积流量和温差的测量装置。

9.根据权利要求8所述的巴氏灭菌设备，其特征在于，所述装置包括用于确定产品温度的温度测量器件。

10.根据权利要求8或9所述的巴氏灭菌设备，其特征在于，所述装置包括用于巴氏灭菌设备的环境的温度测量器件。

11.根据权利要求8或9所述的巴氏灭菌设备，其特征在于，所述装置包括用于清水的温度测量器件。

Images