CN102821878A

CN102821878A - 罐洗涤系统

Info

Publication number: CN102821878A
Application number: CN2011800169599A
Authority: CN
Inventors: K.布朗; R.J.希克; W.卡拉塔
Original assignee: Spraying Systems Co
Current assignee: Spraying Systems Co
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2012-12-12
Also published as: EP2552609A1; BR112012024888A2; WO2011123537A1; EP2552609A4; US20110246162A1

Abstract

一种用于计划关于罐的罐洗涤循环的罐洗涤可视化方法，包括：形成罐系统的CFD模型；向所述模型应用多个参数；有效验证所述CFD模型；在所述模型中包括另选几何形状；以及基于所述模型，确定成功地清洁所述罐的全部部分所需的最小时间。

Description

罐洗涤系统

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2010年3月30日提交的美国临时专利申请No. 61/318,968的权益，该临时专利申请以引用的方式结合到本文。

背景技术

在工业处理和生产的技术中，常见的是，诸如罐之类的容器被用于盛装液体或其它材料以便进行处理。处理可包括混合、加热发酵等，并且能够结合在该罐之内或之外的其它设备被实施。处理循环的关键部分在于定期地洗涤罐，使得该罐中的任何材料或污物被清除。这防止了可能影响材料纯度、组分比等的将来批次的污物。

为了确保彻底的清洁，重要的是确保洗涤过程被合适地计划，并且接着按照该计划被执行。正确执行的洗涤确保了调节顺应性，同时最小化了清洁循环时间和停工时间以及劳力、水、化学药品和废水处理成本。

洗涤过程的计划在知晓洗涤设备的操作的情况下被最佳地进行，然而当前难以可视化洗涤过程。罐在尺寸、形状和结构、所包括的流变学、环境状况和操作参数方面极大地变化。

发明内容

在一个实施方式中，本发明包括一种用于计划关于罐的罐洗涤循环的罐洗涤可视化方法。该方法包括：形成罐系统的CFD模型；向所述模型应用多个参数；有效验证所述CFD模型；在所述模型中包括另选几何形状；以及基于所述模型来确定成功地清洁所述罐的全部部分所需的最小时间。

在另一实施方式中，本发明包括一种计算机可读介质，所述计算机可读介质在其上具有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行这样的罐洗涤可视化方法，所述罐洗涤可视化方法用于计划关于罐的罐洗涤循环。所述指令包括：用于形成罐系统的CFD模型的指令；以及，用于向所述模型应用多个参数的指令。所述指令还包括：用于有效验证所述CFD模型的指令；用于在所述模型中包括另选几何形状的指令；以及，用于确定成功地清洁所述罐的全部部分所需的最小时间的指令。

附图说明

本发明的其它目的和优势从结合附图阅读的下述详细说明将被理解，在附图中：

图1是根据本发明的包括可使用的罐清洁系统的例示性封闭罐的剖切透视图；

图2是如图1所述的系统的罐清洁部的放大透视图；

图3是示出了在根据本发明的罐清洁系统内的示例性互连的示意图；

图4是示出了根据本发明实施方式的罐洗涤可视化过程的流程图；

图5是示出了根据本发明的各个实施方式的用于各种距离的洗涤循环的参数空间的数据图形；以及

图6是在本发明的各个实施方式中产生的罐洗涤图形的汇总。

具体实施方式

如上所述，在知晓洗涤设备的操作的情况下最佳地实现洗涤过程的计划，但是由于罐尺寸、形状和结构、以及所包含的流变学、环境状况和操作参数的宽泛变化，用户和顾客当前难以使该洗涤过程可视化。本发明允许用户容易地可视化并且验证所计划的罐洗涤过程。

现更具体地参考附图，其示出了例示性罐清洁设备10，该罐清洁设备10尤其用于选择性地清洁罐20的内表面。将在下文参考图2更详细地讨论的罐清洁设备10，所述罐清洁设备10包括：延伸到罐20内的管状部30；以及位于该罐20之外的致动部40。

当清洁设备10的在内部30和在外部40处于如将在下文更详细地讨论的机械连接和流体连通时，罐20的内部容积借助环形密封件与外部环境密封，该环形密封件例如是在罐20的部位50处的可变形或可压缩凸缘，清洁设备10的在内管状部30在所述部位50处进入到罐20中。

在清洁过程期间，罐清洁设备10将成标记为60的一个或多个射流形式的清洁流体投射到罐20的壁上。当将射流60投射到罐20的壁上时，罐清洁系统10逐渐改变射流在罐20上的冲击位置，以便最终大致清洁罐20的整个内表面，包括凸缘的内部部分、桨叶、混合器、以及与罐20的内部流体连通的其他元件和设备。

在罐20的内表面上的冲击点被控制的方式将在下文被更详细地讨论。将理解的是，清洁流体的冲击可能直接涉及罐20的内部的一些部分，同时可能间接涉及其他部分。例如，由设备或其他罐表面阻挡了射流60的内表面部分可能被间接喷洒而不是直接喷洒。

如上所述，例示性罐清洁系统10包括延伸到罐20内的管状部30以及位于罐20之外的致动部40。凸缘100将清洁装置10的在内部30和在外部40分隔开，并且用于将该装置10密封到罐壁。

位于罐20之外的致动部40还包括用于接收加压清洁流体的入口110。供应到入口110的清洁流体源通常是加压贮存器，并且由此有时难以精确地控制加压流体通过该装置10的流率。相反，根据本发明，流体源能够是连接到入口110的泵，但并不是每个实施方式中都需要这样。所接收的流体被传输到该装置10的内部30并且喷射到所附接的罐（图1）以便清洁，如将在下文更详细地讨论的那样。位于罐20之外的致动部40还包括暴露的轴端120，用于机械地接收旋转能量源（在图2中未示出）。

气动马达或电动马达和减速齿轮传动组件120被机械地联接到轴，该轴穿过凸缘100并且进入到罐内部。旋转位置传感器被安装到轴，以这样的方式使得该旋转位置传感器将检测该轴的旋转位置。该轴从凸缘离开的点与罐内部容积和入口110都密封，以便将旋转运动传递到罐内部，而不允许罐内容物或清洁流体从装置110泄漏。

装置10的在内部30还包括固定管状壳体140和旋转端部130。旋转端部130还包括喷洒头150，该喷洒头150在其上具有一个或多个喷洒喷嘴160。固定管状壳体包含轴（未示出），该轴借助传感器与气动马达或电动马达120机械地配准，用于从所述气动马达或电动马达传递旋转运动。外部可见的壳体140具有容纳轴的内部通道，该内部通道保持与入口110流体连通。将理解的是，能够使用一个或多个旋转密封件（未示出），以允许将加压流体传送到壳体140内的旋转轴中。

如上所述，喷洒头150被供应以加压流体，该加压流体从喷洒喷嘴160被喷射。当加压流体从喷嘴160被喷射时，喷洒头150借助于暴露的轴来绕竖直轴线A（即，在内的轴的轴线）旋转，该暴露的轴被连接到气动马达或电动马达120。继而，当喷洒头150绕竖直轴线A旋转时，由于喷洒头150和壳体140之间的齿轮传动连接，所以喷洒头150也绕垂直轴线B旋转。

在讨论了在本发明各个实施方式中能够被可视化的罐清洁系统的示意图之后，将参考图3的剖切透视图在物理水平上讨论该系统。罐清洁系统300包括如图2所示（元件10）的管清洁装置310，所述管清洁装置310包括：延伸到罐中的管状部320（图2，元件140）；以及致动部460（图2，元件40）；凸缘360（图2，元件100）；用于接收加压清洁流体的入口380（图2，元件110）；暴露轴端390（图2，元件120）；以及旋转端部（图2，元件130），所述旋转端部包括喷洒头410（图2，元件150），在所述喷洒头410上具有一个或多个喷洒喷嘴420（图2，元件160）。

轴430将来自暴露端部390的旋转运动运送到包括喷洒头410的旋转头部。在管状壳体320的端部处的齿环440啮合被附接到喷洒头410上的齿轮450，以如上所述地转动头部410。本领域技术人员将熟悉装置310的操作原理。以上述方式构造的装置是由Wheaton, I11的SPRAYING SYSTEMS COMPANY制造的型号AA190 的罐洗涤器。

为了控制罐清洁装置310的操作，马达和齿轮减速组件460借助暴露端部390与轴430旋转配准地连接。在所述的示例中，组件460是齿轮传动的气动马达，但是将理解的是，能够使用其他类型的马达和驱动系统。

在所述的示例中，组件460借助旋转传感器470被附接到轴430。该旋转传感器可以是任何合适类型的，但是优选地是高分辨率旋转传感器（例如，17位），该高分辨旋转传感器能够跟踪绝对轴位置以及所执行的回转数。对绝对轴位置以及所执行的回转数的跟踪能够单独借助旋转位置传感器470来执行、单独借助控制器电路510来执行、或者借助前述两个元件的组合来执行。

旋转位置传感器借助链路490发送所链接的数据输出给控制电路510。控制电路510能够是可编程逻辑电路（PLC），该PLC包含用于清洁操作的控制逻辑（即，计算机可执行指令）。另选地，控制电路能够包括用于执行合适控制逻辑的计算机、工作站、或其他计算装置（例如，执行控制模块220）。

在所示的示例中，借助对供应到组件460的气压的控制，控制电路510控制组件460的马达，且因此控制轴430。对供应到组件460的气压的控制是借助电子控制压力调节器（I/P）520来执行的，该电子控制压力调节器520在入口540处接收加压空气并且在出口550处提供受控输出。该出口550继而借助导管560被连到组件460。

压力调节器520借助电气链路530从控制电路510接收电气控制信号。该控制信号包括任何合适信号类型和/或协议，但是在本发明的优选实施方式中，控制信号是4-20 mA的开环控制信号。继而，压力调节器调节在出口550处被供应的空气的压力。因此，通过链路530接收的控制信号被用于控制组件460和轴430的速度。虽然在图4中未示出，但是控制电路510还可任选地控制在入口380处接收的清洁流体的一个或多个参数，如上文所述的那样。

关于本发明的罐清洗可视化，该过程600（图4）的第一阶段在于，在阶段601时形成所讨论的系统的CFD模型。在阶段602中将许多参数应用到该模型，这些参数包括：流体体积（VOF）、瞬变过程、移动网格、输入、喷嘴旋转、喷嘴出射速度/流量状况（P, Q, T）、输出、相对于时间的路径线、壁冲击（动态喷洒）、和体积分布。

使用具有550加仑容量、φ60" x 60"高度、并且具有搅拌器/障碍物的不锈钢罐来有效验证该CFD模型。喷洒系统包括AA190喷嘴和喷洒水。TEKSCAN/压敏纸被用于确定喷洒模式和冲击强度，并且用于验证静态冲击和动态冲击之间的联系。

在该点处，在阶段603，借助例如3-5个变形的库来包括另选几何形状。作为另一示例，通过使用罐车（并且尤其地，具有用于评估CIP系统的观察口的改装罐车）来验证该过程。结果表明，所研究的罐的一些区域易遭受不足够的清洁，尤其在堵头（bulkhead）中。例如，如果CIP装置是稍微偏心的并且倾斜不正确，那么清洁不会太有效。

在阶段604，该系统通过绘制下述内容来确定成功清洁该罐的全部部分所需的最小时间：

1）根据时间变化的射流路径线；

2）根据时间变化的动态冲击；

3）根据时间变化的在罐壁上的总质量分布。

冲击与清洁效率之间的关系取决于流变学：粘度、表面张力等。该关系还取决于环境/操作状况：暴露的时间长度、热循环等。为了清洁不同粘度的流体，重要的是已知下述的影响：

α = 攻角；P = 压力；Q = 流率

T = 温度；D = 距离；t = 时间。

对于给定的几何形状，本发明提供了绘制相对于时间的喷洒路径线的能力。在一个实施方式中，本发明包括为Matlab准备的代码体，并且包括筒形（可任选地，锥形底）样式的容器。喷嘴位置能够被修改，并且壁冲击（动态喷洒）和距离被示出，并且还能够通过应用冲击数据来进一步修改。在该实现方式中，体积分布基于喷嘴和距离，并且遮盖/障碍物也可借助建模来适用。罐形状、尺寸和构造的变形的库能够被用于允许对更宽广的一批罐选项的可视化。

在本发明的一个实施方式中，还构想到使用流变学数据。具体地，所需的清除水平能够基于物质被建模。在另一方面，该系统使用了关于清除难度的疲劳系统（即，1-牛奶；3-油漆；5-花生酱等）。

在本发明的实施方式中，该系统还考虑各种设定循环（材料暴露/干燥的时间多久）以及各种罐材料（不锈钢、聚乙烯等）。还考虑冲洗循环（水-糖、盐、淀粉；碱溶液-蛋白质、细菌膜；酸溶液-硬水盐、矿物质膜等）。

所有这些考虑的结果允许更精确地确定罐洗涤要求，即，具有基于罐几何形状的距离和运动的冲击、所需流率、清洁循环的持续时间、喷洒覆盖率/遮盖面积、清洁能力水平（阶段3）等。

图5是示出了用于易清除物质的、根据本发明各个实施方式的、用于各种距离的洗涤循环的参数空间的数据图形500。如能够看到的那样，该图形将预期距离501映射到相关联的动态冲击502的范围、体积流量503的范围、以及冲击时间504的范围。图6是在本发明的各个实施方式中产生的罐洗涤图形701、702、703和704的汇总。每个图形701-704都示出了给定计划洗涤循环下的撞击线。如能够看到的那样，撞击密度在罐内变化，该变化取决于喷嘴设置以及罐的几何形状。

虽然已经详述了本发明的具体实施方式，但是将理解的是，前述方法和实施方式仅仅是本发明原理的示例，并且这些方法和实施方式仅描述了优选的技术。所构想的是，本发明的其它实施方式能够在细节方面不同于前述示例。由此，对本发明的全部参考都旨在参考在说明书中关于该点被讨论的本发明的具体示例，而决不旨在暗含对本发明的更一般意义上的范围的任何限制。关于某些特征的区分和轻视的全部语言旨在表明不优选这些特征，而不是完全从本发明的范围排除这些特征，除非以其它方式声明。

在描述本发明的上下文中（尤其在所附权利要求书的上下文中）术语“一”、“一个”和“该”以及类似指示术语的使用应被认为涵盖单数以及复数，除非在本文以其它方式指明或者在文中清楚地否认。术语“包括”、“具有”、“包含”以及“含有”被认为是开放式术语（即，意指“包括但不局限于”），除非以其它方式声明。本文中对值的范围的阐述仅旨在用作单独涉及落入该范围内的每个单独值的简略表达方法，除非在本文另外指明，并且每个单独值被结合到说明书中，就像该单独值在本文被单独阐述的那样。本文所描述的所有方法能够以任何合适的顺序来执行，除非在本文以其它方式指出或以其它方式通过上下文清楚地否认。使用本文所提供的任何和所有示例或示例性语言（如，“例如”）的使用仅旨在更佳地阐述本发明，而不是对本发明的范围施加限制，除非以其它方式声明。说明书中的语言都不应当被认为表明了任何未要求保护的元件对于实践本发明而言是重要的。

因此，本发明在适用法律许可的情况下包括了权利要求书中阐述的主题内容的全部修改和等同物。此外，在本发明全部可能的变形中的上述元件的任何组合都由本发明包括，除非在本文中以其它方式指出，或者通过上下文以其它方式清楚地否认。

Claims

1.一种用于计划关于罐的罐洗涤循环的罐洗涤可视化方法，所述方法包括：

形成罐系统的CFD模型；

向所述模型应用多个参数；

有效验证所述CFD模型；

在所述模型中包括另选几何形状；以及

基于所述模型，确定成功地清洁所述罐的全部部分所需的最小时间。

2.根据权利要求1所述的罐洗涤可视化方法，其中，所述CFD模型适于考虑攻角、压力、流率、温度、距离和时间的影响。

3.根据权利要求1所述的罐洗涤可视化方法，其中，在所述模型中包括另选几何形状包括：从变形库获得另选几何形状。

4.根据权利要求1所述的罐洗涤可视化方法，其中，所应用的多个参数包括流体体积（VOF）。

5.根据权利要求1所述的罐洗涤可视化方法，其中，所应用的多个参数包括喷嘴旋转。

6.根据权利要求1所述的罐洗涤可视化方法，其中，所应用的多个参数包括喷嘴出射速度/流量状况（P, Q, T）。

7.根据权利要求1所述的罐洗涤可视化方法，其中，所应用的多个参数包括相对于时间的路径线。

8.根据权利要求1所述的罐洗涤可视化方法，其中，所应用的多个参数包括壁冲击。

9.根据权利要求1所述的罐洗涤可视化方法，其中，所应用的多个参数包括体积分布。

10.根据权利要求1所述的罐洗涤可视化方法，其中，确定成功地清洁所述罐的全部部分所需的最小时间包括：绘制根据时间变化的射流路径线、根据时间变化的动态冲击、根据时间变化的在所述罐壁上的总质量分布。

11.一种计算机可读介质，所述计算机可读介质在其上具有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行这样的罐洗涤可视化方法，所述罐洗涤可视化方法用于计划关于罐的罐洗涤循环，所述指令包括：

用于形成罐系统的CFD模型的指令；

用于向所述模型应用多个参数的指令；

用于有效验证所述CFD模型的指令；

用于在所述模型中包括另选几何形状的指令；以及

12.根据权利要求11所述的计算机可读介质，其中，所述CFD模型适于考虑攻角、压力、流率、温度、距离和时间的影响。

13.根据权利要求11所述的计算机可读介质，其中，用于在所述模型中包括另选几何形状的指令包括：用于从变形库获得另选几何形状的指令。

14.根据权利要求11所述的计算机可读介质，其中，所应用的多个参数包括流体体积（VOF）。

15.根据权利要求11所述的计算机可读介质，其中，所应用的多个参数包括喷嘴旋转。

16.根据权利要求11所述的计算机可读介质，其中，所应用的多个参数包括喷嘴出射速度/流量状况（P, Q, T）。

17.根据权利要求11所述的计算机可读介质，其中，所应用的多个参数包括相对于时间的路径线。

18.根据权利要求11所述的计算机可读介质，其中，所应用的多个参数包括壁冲击。

19.根据权利要求11所述的计算机可读介质，其中，所应用的多个参数包括体积分布。

20.根据权利要求11所述的计算机可读介质，其中，用于确定成功地清洁所述罐的全部部分所需的最小时间的指令包括：用于绘制根据时间变化的射流路径线、根据时间变化的动态冲击、根据时间变化的在所述罐壁上的总质量分布的指令。