小麦粉加工中水循环冷却系统设计及其自动化控制

赖世椿，朱龙权，张绍华，詹育生，黄金源

（1.广州岭南穗粮谷物股份有限公司，广东 广州 511466；2.广州市粮食集团有限责任公司，广东 广州 510000）

小麦粉加工行业普遍采用罗茨风机正压输送进行物料的输送，比如在基础粉入仓、配粉、打包、循环倒仓等工段。与传统的机械式（斗提机或螺旋绞龙）相比较正压输送有着入仓切换灵活可实现多点卸料、无残留、密闭输送等优点。但罗茨风机正压输送是利用罗茨风机内的两个叶片连续运转将空气从一侧吸入，从另一侧压出，以此来形成一种较高压力的输送气体，在气体挤压过程中其温升会随着压缩比的增加而增加。资料[1]显示，在罗茨风机升压 30～98 kPa、环境温度 10～40 ℃的范围内，排气压力每增加10 kPa，排气温度约上升6 ℃；环境温度每增加 10 ℃，排气温度约上升11 ℃。尤其是夏季罗茨风机排气温度可达到 70～90 ℃，同时高温不利于小麦粉品质的储存。

目前整个小麦粉加工行业对于正压输送高温问题没有形成统一标准的解决方案，小型厂家由于产品结构的原因需求不明显，再加上投入改造资金有限所以基本没有做处理；中大型小麦粉加工厂家已越来越重视，采取的方式多样取得的效果参差不齐，未形成自动化控制的闭环[2]。尤其是地处南方的小麦粉加工厂感触更深、需求更加的迫切。有些厂家在罗茨风机进风口加装制冷设备但效果不理想；广州岭南穗粮股份有限公司自2013年投产以来，经过多年的生产实践和与行业内设计院校进行交流探讨，从最初的单套尝试采用作为试点，到后续的全面采用以及实现自动化控制的过度，本文从企业实际生产应用并经过长期的改进完善，拟建立一套完整的自动化控制水循环冷却系统，以期解决罗茨风机正压输送产生高温对产品质量影响的问题。

1 材料与方法

1.1 供试生产线

年产30万t小麦加工生产线：广州岭南穗粮谷物股份有限公司。

1.2 主要仪器与设备

SSR型罗茨风机：山东章丘鼓风机股份有限公司；热交换器及GC型冷却器机组：郑州康维粮食机械有限公司；LBFS-01型漏液传感器：堡盟电子（上海）有限公司。

1.3 试验方法

在各个罗茨风机的出口加装热交换装置，以水为介质对热空气进行对流冷却，再加装冷却塔对热交换装置出来的热水进行冷却，从而形成水循环冷却系统。根据配粉系统罗茨风机出风总量与水循环冷却系统处理风量相等的原理，设计水循环冷却系统处理风量。同时，根据自动化原理，优化系统布局，形成一个完整的自动化控制水循环冷却系统，并进行验证应用。

利用车间PLC系统将正压输送工段设备启停与水循环冷却系统启停控制进行互锁，在水循环冷却系统管道中安装电子阀门、热交换器前后安装温湿度传感器进行运行过程的监控，当温度发生变化、热交换器内部出现漏液故障时对应传感器发出信号反馈给PLC控制系统，弹窗报警信息，从而互锁控制水循环冷却系统和工段设备，实现整个过程的闭环。

2 水循环冷却系统

2.1 水循环冷却系统组成

2.1.1 冷却塔结构

水循环冷却系统的冷却塔结构如图1所示，由冷却水塔（内含管道泵）、热交换器，水泵、电子元件和相应的管道组成，以软水（去离子水、蒸馏水）作为内循环用水。

冷却塔将内循环水冷却后（水温不超过 30 ℃，可通过冷却塔出水温度计的反馈来调节软水冷却后的温度[3]），经过管道泵输送至换热器。自换热器出来的内循环水回到冷却塔，在冷却塔内喷淋泵将喷淋水（可使用自来水）喷洒到蛇形热交换器管壁外（管内走内循环水），在散热风扇的作用下，蛇形热交换器管壁外的喷淋水蒸发吸收大量的蒸发潜热，使蛇形热交换器管内的内循环水冷却降温， 冷却后的内循环水经过管道泵再输送至换热器，从而持续地将经过换热器的热空气冷却，内循环水一直循环利用，可以节省用水量，在喷淋水喷淋期间，会散失一定的喷淋水量，通过设置浮球水位开关，当水位低于一定量时，自动补充水量，从而避免循环泵空转，造成设备损坏。

2.1.2 翅片式热交换器结构[4]

翅片式热交换器如图2所示，主要由翅片、导流管、18组蛇形管道组成。冷水进入热交换器后，由导流管分别导流到18组蛇形管道内，经过热交换后，热水再汇集到出水导流管，通过内循环管道输送到冷却塔进行冷却，再循环利用，每组蛇形管道上都装有翅片，其主要工作原理是具有扩展的二次传热表面（翅片），在热空气热交换过程中，不仅仅在蛇形管道表面上的传热，同时，也在二次传热表面上进行，这大大扩大了传热面积，提高了传热效率。

翅片式热交换器的主要优点：一是传热效率高，由于翅片对流体的扰动使边界层不断破裂，因而具有较大的换热系数；同时翅片很薄，具有高导热性，所以使得板翅式换热器可以达到很高的效率。二是设备紧凑布局合理，以环绕形式安装板翘大幅度增加导热面积。由于板翅式换热器具有扩展的二次表面，使得它的比表面积可达到1 000 m2/m3。三是耐腐蚀，热交换器管道采用不锈钢管道，虽然导热性比铜较差，但仍能有效地将压送热气流的温度从 70～90 ℃降低到40 ℃以内，而且内部结构光滑不易结垢。

2.2 水循环冷却系统的自动化控制

水循环冷却自动化控制系统如图3所示，主要由冷却塔自动启停、内循环泵自动启停、各配粉系统中热交换器前后电子水阀、温湿度感应器、漏液感应器、PLC控制系统等组成。

2.2.1 启停控制

本系统启停控制的核心是：将整个水循环冷却系统设备设施、电器元器件科学组合，关键环节增设漏液、温湿度、电子水阀等电器元件，融合到现有生产线PLC控制系统互锁，形成正常启停控制、运行过程监控、异常信息反馈的闭环。同时通过温度传感器反馈信号实时做出调整（详见2.2.3），确保整改水循环冷却效果。

水循环冷却自动控制系统的开机与停机，当设置循环冷却自动控制系统与配粉系统处于联动时，总控电脑配粉PLC系统开机按钮启动，首先启动水循环冷却系统然后启动配粉系统;停机则相反（按上述启动倒序关闭）。

2.2.2 冷热交换、漏液感应控制

热交换器温湿度监控及漏液监控互锁控制如图4所示，PLC系统实现全过程监控和互锁启停保护，最大限度地保证了生产的稳定运行和产品质量。由于罗茨风机输出的热空气需要经过热交换器降温，再输送面粉进粉仓，当热交换器在工作时，热交换器内充满着循环的液体冷却介质，一旦热交换器出现泄漏，液体与面粉就会混合在一起，如果不能及时发现并处理，将造成严重的经济损失。而针对漏液这问题，广州岭南穗粮谷物股份有限公司面粉部技术人员组织机修班组人员在每个配粉系统中的水冷热交换器进水口和出水口都装有电子水阀和手动水阀，面粉正压输送管道在进水冷热交换器的前端装有漏液传感器，在出水冷热交换器后端装有温湿度传感器。

漏液传感器信号反馈与控制如图5所示。当水冷热交换器出现漏液，漏液传感器感应到时，即时传输反馈信号到PLC总控，总控室报警器报警，同时自动控制系统第一时间发送关闭信号给电子水阀及其相应的内循环泵，命令停止内循环水泵压送，然后关闭相应的设备设施及电子水阀，在此期间，工作人员接受到报警信号，必须到现场检查，同时将手动水阀关闭，达到双层保险，从而达到及时发现及时处理的效果，减少经济损失。然后在PLC界面进行报警信息消除复位系统才能恢复运行（不启动水循环冷却系统状态）。

2.2.3 温湿度感应信号反馈与控制

温湿度信号反馈与控制如图6所示。水循环冷却系统通过PLC自动控制系统实现运行全过程的温度监测，根据温湿度传感器的数据采集反馈，可在控制界面按生产需求设定的温度值范围，实现良好稳定的运行与温控。该自动控制水循环冷却系统实现了对温度在一定的范围内进行控制，可以在总控电脑设定温度，当经过热交换器后的空气温度低于或高于设定温度时，自动控制系统将开启或关闭对应电子水阀，减少或增加内循环管道的长度及水流的阻力。同时通过控制变频器可以调节内循环泵和冷却泵的转速，提高热交换器的冷却效果，从而达到设定的温度目标值。

2.3 应用验证

将本系统应用于小麦粉加工生产线中，经监测，温度达到了设定的目标值。未安装前正压输送系统压送管道温度高达70 ～ 90 ℃，小麦粉在此输送过程中水分损耗大，经复配混合后的小麦粉中含有酶制剂、维生素等热敏成分也受到高温的影响，甚至在面粉后续的储存过程中出现凝结、结拱等现象；最终影响面制品口感、结构、出品等。经改造安装后压送管道温度降低至40 ℃以下。完全满足生产需求，消除了因正压输送高温带来的困扰，保障了产品质量[5]。

3 结 论

本文的核心是：整个系统实现自动启停、漏液防护、过程监控跟踪、自动调整循环冷却运行状态（详见2.2.3）等；为稳定生产运行和稳定的产品质量提供了保障。生产线经改造安装水循环冷却系统后，采用生活饮用自来水作为水源，自动补水；循环水通过翘片式热交换器进行热交换消除罗茨风机产生的热量，从热交换器出来的循环水经过室外冷却塔喷淋冷却。水循环系统运行成本较低，除开前期的投入和折旧外，日常运行成本主要是水泵电费、管道设施磨损、少量自来水。

随着现代食品工业的发展和小麦粉制粉行业自动化控制系统的完善与进步，人工成本的增加以及不稳定因素的增加，无人工厂已俨然成为未来发展的趋势，如何使各系统实现自动化控制已经成为当务之急。通过以上方案有效地解决了小麦粉加工工艺过程正压输送高温对面粉品质的影响和高温对食品添加剂效果的影响，同时实现了水循环冷却系统的自动化控制，实现了整个过程的闭环管理，有效提升了生产的稳定性并减少了损失，为小麦粉加工企业带来了良好的经济效益。