СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЯЕМОГО ВСПЕНИВАНИЯ ДОБАВЛЯЕМОГО В БУТЫЛКИ ИЛИ ПОДОБНЫЕ КОНТЕЙНЕРЫ НАПОЛНИТЕЛЯ
METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLED FOAMING OF FILLER ADDED INTO BOTTLES OR SIMILAR CONTAINERS

Изобретение относится к способу согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также к устройству согласно ограничительной части пункта 17 формулы изобретения.
В промышленной отрасли напитков известно, что в бутылки, бочки или подобные контейнеры, заполняемые в разливочной машине жидким наполнителем, преимущественно наполнителем, содержащим углекислоту, перед укупоркой добавляют жидкое вспенивающее вещество, находящееся под давлением. Добиваются вспенивания наполнителя в соответствующем контейнере, чтобы тем самым вытеснить имеющийся в контейнере над поверхностью наполнителя воздух или имеющийся кислород воздуха и предотвратить порчу наполнителя или соответственно его стойкости и вкуса кислородом. В качестве жидкого вспенивающего вещества применяется, например, вода, а именно, например, смотря по обстоятельствам в нагретом состоянии. Для добавления вспенивающего вещества используется, по меньшей мере, одна форсунка, на которую подается вспенивающее вещество под давлением и под которой по транспортному участку между разливочной машиной и следующей за ней на производственной линии укупорочной машиной продвигаются контейнеры с наполнителем. Добавление или впрыск вспенивающей жидкости производится с учетом параметров, обусловленных специфичностью продукции, а также в зависимости от мощности производственной линии, т.е. в зависимости от количества обрабатываемых с помощью вспенивающего вещества контейнеров в единицу времени таким образом, что, с одной стороны, достигается достаточно сильное вспенивание, с другой стороны, предотвращается избыточное пенообразование. Кроме того, при добавлении вспенивающего вещества необходимо соблюдать стерильность.
Добавленная для вспенивания в контейнер энергетическая загрузка зависит от различных параметров, среди прочего от температуры и количества помещенного в контейнер вспенивающего вещества, а также от давления впрыска, с которым это вещество впрыскивается в контейнер. Равным образом необходимо учитывать также время впрыска.
В известных способах или устройствах для вспенивания давление впрыска и объемный поток вспенивающего вещества для соответствующего наполнителя и для установленной заданной производительности разливочной машины или производственной линии заданы постоянными. Однако в этом случае колебания производительности производственной линии неизбежно приводят к дефектам вспенивания наполнителя в контейнерах, т.е. либо к недостаточному вспениванию, либо к избыточному вспениванию.
2
Кроме того, также известно из DE 19613142 В4 устройство для управляемой подачи инертного газа, например CO, в бутылки в процессе укупорки, для того чтобы повысить стойкость продукта за счет вытеснения воздуха и кислорода воздуха над поверхностью наполнителя. В зависимости от скорости укупорки управляют подаваемым количеством газа.
В DE 4135438 А1 раскрыто устройство и способ, при которых с помощью изменяемой высоты впрыска или давления в форсунке пытаются достигнуть оптимального результата пенообразования. В DE 4030081 А1 предлагается применить управляемую сжатым воздухом компоновку поршневого насоса или приводимый в движение с помощью электродвигателя насос и регулировку клапана-дозатора для оптимизации пенообразования. В DE 1979515 U предлагается поршневая система с мультипликатором.
Однако в этих в целом хорошо функционирующих системах не разрешена проблема, что преимущественно в высокопроизводительных разливочных или укупорочных машинам необходимо постоянно впрыскивать относительно большое количество жидкости, чтобы гарантировать полное пенообразование. Кроме того, невозможно реагировать удобным способом и с надлежащей скоростью на изменения скорости производственного процесса во всем его диапазоне с момента запуска до максимума.
Задачей изобретения является создание способа, с помощью которого достигается лучшее вспенивание помещенного в бутылки или подобные контейнеры наполнителя.
Для решения этой задачи предлагается способ в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения. Устройство для осуществления способа является предметом пункта 17 формулы изобретения.
В соответствии с изобретением из параметров для управления подачей энергии или процессом вспенивания в зависимости от производительности производственной линии или в зависимости от производительности разливочной машины и следующей за ней укупорочной машины пригодным по существу является только давление впрыска. Кроме того, суть изобретения состоит в том, что управление процессом вспенивания и, кроме того, в частности, давлением впрыска в зависимости от производительности производственной линии или наполнителя и тем самым также от количества обрабатываемых с помощью вспенивающего вещества контейнеров на каждую единицу времени, возможно только в том случае, если давление впрыска может регулироваться в широком диапазоне, например в диапазоне от по меньшей мере 1 бар до 8 бар, предпочтительно в диапазоне от по меньшей мере 1 бар до 15 бар, причем при соответственно малом объемной потоке жидкого вспенивающего вещества, например при объемном потоке максимум 2 л/мин, предпочтительно максимум 1,5 л/мин, для насоса, генерирующего давление впрыска. Согласно изобретению таким способом осуществляется реальное управление подачей энергии или процессом вспенивания в зависимости от производительности производственной установки. Путем выбора параметров, обусловленных специфичностью продукции, а именно типом наполнителя, температурой заливки, типом контейнеров или бутылок и т.д., на управляющее устройство или предусмотренное там устройство ввода с помощью управляющего устройства определяется заданная величина давления впрыска для соответствующей производительности производственной линии, а именно, например, путем выбора из сохраненных в памяти электронных списков или таблиц. Путем измерения давления впрыска в форсунке с помощью предусмотренного там датчика давления данное реальное давление впрыска сравнивается в качестве фактического значения с заданным значением, и число оборотов и/или мощность насоса регулируются таким образом, что фактическое значение приводится в соответствие с заданным.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения являются предметом дополнительных зависимых пунктов формулы изобретения. Изобретение раскрывается далее с помощью чертежа, представляющего упрощенное изображение устройства в соответствии с изобретением для впрыска под высоким давлением.
На чертеже устройство 1 является составной частью производственной линии для наполнения бутылок 2 или подобных контейнеров жидким наполнителем, а также для укупорки наполненных бутылок 2 и служит для вспенивания наполнителя, заполняющего бутылки 2, в частности наполнителя, содержащего углекислоту, с помощью управляемой подачи энергии таким образом, что образующаяся пена вытесняет из бутылки 2 воздух и, в частности, кислород воздуха над поверхностью наполнителя без избыточного пенообразования. Подача энергии регулируется с помощью, по меньшей мере, одной форсунки 3, предусмотренной над траекторией движения вертикально расположенных бутылок 2 между разливочной машиной, не изображенной на чертеже, и укупорочной машиной, также не изображенной на чертеже. Для вспенивания в каждую двигающуюся мимо форсунки 3 бутылку добавляется определенное количество жидкого, вызывающего вспенивание, подогретого вещества под определенным давлением впрыска. В качестве вспенивающего вещества при этом используется, например, вода или наполнитель.
Такая подаваемая энергия состоит, в частности, из кинетической энергии, т.е. количества и давления впрыска добавляемого вспенивающего вещества, а также из тепловой энергии, т.е. температуры вспенивающего вещества. Для того чтобы при разной производительности производственной установки, т.е. при различном количестве наполняемых и укупориваемых на каждую единицу времени бутылок 2, или при различном количестве проходящих в каждую единицу времени мимо форсунки 3 бутылок 2, сохранять более постоянную подачу энергии в каждую бутылку 2, в устройстве 1 с помощью предлагаемого способа регулируется кинетическая энергия подаваемой энергии в зависимости от изменений давления впрыска, при этом в процессе эксплуатации устройства 1 вспенивающее вещество постоянно поступает из форсунки 3 в количестве, выбранном в зависимости от производительности производственной линии и от давления.
Устройство 1 включает контур 4 насоса, составной частью которого является насос 5 высокого давления с регулируемым по частоте приводным двигателем. Вход насоса 5 соединен с расходомером 6 и трубопроводом 7 с источником 8, поставляющим жидкое вспенивающее вещество. Данный источник 8 является, например, сетью коммуникаций для подачи свежей воды, при этом в трубопроводе 7 предусмотрены также дополнительные элементы, такие как, например, регулирующие или запорные вентили, фильтр и т.д. В трубопроводе 7 предусмотрен температурный датчик 9, с помощью которого измеряется температура поставляемого с помощью источника 8 вспенивающего вещества.
Параллельно серийной установке насоса 5 и расходомера 6 расположен байпас, образованный по существу трубопроводом 10, соединяющим выход насоса 5 с размещенным в направлении движения потока вспенивающего вещества перед насосом 5 впуском расходомера 6. В трубопроводе 10 размещены среди прочего дроссель 11, а также датчик 12 давления, измеряющий давление на выходе насоса 5, и дополнительный температурный датчик 13. Создаваемое дросселем 11 поперечное сечение потока выбирается таким образом, что даже при малом объемном потоке или при отсутствии объемного потока на выходе контура 4 насоса обеспечивается минимальный поток через насос 5, достаточный для смазывания и охлаждения насоса 5.
Выход контура 4 насоса соединен через трубопровод 14 с входом, к примеру, электрически управляемого нагревательного котла 15, являющегося элементом нагревательного контура 16, и на котором согласно представленному варианту осуществления изобретения предусмотрены кроме прочего датчик 17 давления, датчик 18 уровня наполнения и датчик 19 температуры. Выход нагревательного котла 15 соединен через трубопровод 20 с форсункой 3, имеющей, например, определенное регулируемое в соответствии с наполнителем сечение форсунки или потока. В трубопроводе перед форсункой 3 установлен электрически регулируемый запорный вентиль 21 и перед данным запорным вентилем в направлении движения потока дополнительный датчик 22 температуры.
Между датчиком 22 температуры и запорным вентилем 21 от трубопровода 20 отходит байпас-трубопровод 23, в котором предусмотрен запорный вентиль 24 и который ведет к стоку 25. Подобный байпас-трубопровод 26, в котором предусмотрен электрически управляемый запорный вентиль 27 и который ведет к стоку 28, ответвляется на впуске нагревательного котла 15.
С помощью управления через центральное устройство 29 управления, на которое подаются кроме прочего сигналы различных датчиков температуры и датчиков давления, прежде всего, возможны следующие базовые режимы работы:
1. Наполнение нагревательного котла 15 жидким вспенивающим веществом и нагревание вспенивающего вещества до рабочей температуры
Для запуска в эксплуатацию устройства 1 нагревательный котел 15 сначала наполняется вспенивающим веществом, например водой, и затем вспенивающее вещество нагревается до температуры немного выше последующей эксплуатационной или рабочей температуры этого вещества, например, при эксплуатационной или рабочей температуре 85-90°С. Наполнение нагревательного котла 15 осуществляется, например, с помощью отключенного насоса 5 и/или насосного байпаса 10. Нагревание нагревательного котла запускается, как только уровнемер 18 определит полное заполнение нагревательного котла.
2. Нагревание трубопровода 20 и байпас-трубопроводов 23 и 26
При включенном насосе 5, закрытом запорном вентиле 21 и открытом запорном вентиле 24 запускается поток жидкого нагретого вспенивающего вещества из нагревательного котла 15 через трубопровод 20 на байпас-трубопровод 23 и оттуда в сток 25. С помощью датчиков 19 и 22 температуры происходит регулирование температуры вспенивающего вещества относительно рабочей температуры, например 85°С, конкретно посредством соответствующего управления нагреванием нагревательного котла 15.
3. Непрерывная эксплуатация устройства 1
Для эксплуатации устройства 1 байпас-трубопровод 23 закрывается с помощью запорного вентиля 24 и открывается запорный вентиль 21 таким образом, что нагретое до рабочей температуры вспенивающее вещество под давлением, созданным насосом 5, впрыскивается в перемещающиеся мимо форсунки 3 бутылки 2.
4. Прерывание производственного процесса
В случае прерывания производственного процесса запорный вентиль 21 закрывается, и байпас-трубопровод 23 открывается через вентиль 24, таким образом, что далее нагретое вспенивающее вещество протекает через трубопровод 20 при поддержании необходимой температуры. Аналогичным образом, когда температура, измеренная датчиком 22 температуры, опускается ниже заданного нижнего порогового значения, запорный вентиль 21 может быть закрыт, и байпас-трубопровод 23 открыт через запорный вентиль 24, конкретно при прерывании производственного процесса.
5. Завершение производственного процесса
Для опорожнения, в частности, нагревательного котла 15 при завершении производственного процесса при закрытом запорном вентиле 21 открываются байпас-трубопроводы 23 и 26 через соответствующие запорные вентили 24 и 27.
Как изложено выше, впуск энергии регулируется при впрыске под высоким давлением посредством управления давлением на выходе насоса 5 и таким образом давлением впрыска вспенивающего вещества на форсунке 3 в зависимости от соответствующего типу наполнителя и зависящего от производительности заданного значения. Это соответствующее типу наполнителя заданное значение заносится как запись в память 30 автоматизированного управляющего устройства 29, таким образом, что управляющее устройство 29 может управлять в зависимости от продукта и производительности (контейнер/час) насосом 5, а именно с учетом управляющего сигнала, соответствующего производительности производственной линии (наполненные и закрытые бутылки 2 в единицу времени) и выведенного на разливочную машину, и с учетом давления у форсунки 3, измеренного, например, с помощью датчика 17, каждое из которых является фактическим значением.
В описанном варианте осуществления изобретения насос 5 и соответственно контур 4 насоса выполнены таким образом, что можно управлять давлением насоса в диапазоне от, по меньшей мере, 2 до 16 бар, а именно, при относительно малом потоке транспортируемого материала от 0, 7 до 1,5 л/мин.
Так как при увеличивающейся производительности производственной установки продолжительность времени, в течение которого каждая бутылка 2 находится под форсункой 3, и тем самым также вносимое количество вспенивающего вещества снижается, повышается давление впрыска.
В зависимости от конкретного наполнителя в изложенном варианте осуществления также меняют диаметр форсунки 3, т.е. в случае наполнителя, который легко вспенивается, например белого пива, применяют форсунку 3 с уменьшенным диаметром отверстия. Наоборот, при использовании продукта или наполнителя, который вспенивается с трудом, применяют форсунку 3 с большим диаметром отверстия.
В следующей таблице приведены типовые параметры способа для трех различных продуктов, а именно с учетом бутылок 2, имеющих внутренний диаметр горловины 22 мм.
Продукт или наполнитель
Впуск энергии, мДж
Диаметр форсунки, мм
Максимальный объем, мл/бут.<sup>1)</sup>
Минимальный объем, мл/бут<sup>2</sup>)
Продукт 1
1,96
0,20
0,008
0,002
Продукт 2
6,00
0,35
0,015
0,050
Продукт 3
12,24
0,50
0.030
0,009
<sup>1)</sup> здесь максимальный объем V<sub>max</sub> вспенивающего вещества, добавляемого в каждую бутылку 2, соответствует минимальной производительности 1800 бутылок в час, при давлении насоса 2,3 бар.
<sup>2)</sup> здесь минимальный объем V<sub>min</sub> вспенивающего вещества, добавляемого в каждую бутылку 2, соответствует максимальной производительности 29000 бутылок в час, при давлении насоса 15 бар.
Для насоса 5 при этом получают сводные рабочие точки согласно следующей таблице:
Диаметр отверстия форсунки, мм
Рабочая точка насоса
1800 бут./час
29000 бут./час
0,20
Объем, л/мин
0,7
1,0
Давление, бар
1,7
14,1
0,35
Объем, л/мин
0,8
1,2
Давление, бар
1,3
14,1
0,5
Объем, л/мин
0,7
1,4
Давление, бар
1,3
14,1
max
min
max
В целом, из предыдущих таблиц, в частности, видно, что независимо от конкретного продукта отношение V/V составляет примерно 3-4, давление насоса при высокой производительности составляет значительно более 8 бар, и максимальное впрыскиваемое количество V вспенивающего вещества даже в случае тяжело вспенивающегося продукта 3 и более низкой производительности составляет значительно менее 0,05 мл на бутылку.
Небольшое количество добавляемого в бутылки 2 вспенивающего вещества имеет, в частности, то преимущество, что при использовании воды в качестве вспенивающего вещества не происходит существенного или вообще никакого разведения продукта, и, кроме того, значительно сокращается расход вспенивающего вещества.
Посредством образованного трубопроводом 10 насосного байпаса возможно поддерживать требуемое небольшое количество выходящего из форсунки 3 вспенивающего вещества и, тем не менее, обеспечить достаточное минимальное подаваемое количество для насоса 5, в частности, также для смазки и/или охлаждения насоса 5. Кроме того, с помощью насосного байпаса устраняется избыточное отклонение при регулировке давления насоса в зависимости от производительности производственной установки, т.е. только при чрезвычайно малых колебаниях давления, например, в максимальном диапазоне +/-0,3 бар возможно регулирование давления насоса за очень короткое время, например, 0,5 сек, и даже при экстремальных изменениях производительности установки.
Выше было описано изобретение на примере варианта исполнения. Подразумевается, что возможны многочисленные изменения, а также варианты без отхода от изобретательской идеи, лежащей в основе изобретения.
Так, например, можно с помощью датчика, следующего за форсункой 3 по пути перемещения бутылок 2, например оптоэлектронного датчика 31 в виде, например, камеры, измерять вспенивание, созданное с помощью впрыска под высоким давлением, в качестве фактического давления и сравнивать его с соответствующим заданным вспениванием, таким образом, что с помощью настройки или управления можно влиять на соответствующие параметры процесса впрыска.
Выше предполагалось, что давление впрыска регулируется с помощью давления насоса 5. Также допустимы другие мероприятия, например регулирование с помощью управляемого открытия и закрытия байпас-трубопровода, например байпас-трубопровода 26 и/или управляемого открытия и закрытия трубопровода 10, образующего насосный байпас. Также допустимы различные комбинации регулирования давления впрыска на форсунке 3.
Кроме того, можно снабдить каждую из форсунок 3 запорным вентилем 21 и соответственно управляемым байпас-трубопроводом 23, например, таким образом, что каждая бутылка 2 для вспенивания проходит несколько форсунок 3.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 Устройство для впрыска под высоким давлением
2 Бутылка
3 Форсунка
4 Контур насоса
5 Насос
6 Расходомер
7 Трубопровод
8 Источник жидкого вспенивающего средства
9 Датчик температуры
10 Трубопровод насосного байпаса
11 Дроссель
12 Датчик давления
13 Датчик температуры
14 Трубопровод
15 Нагревательный котел
16 Нагревательный контур
17 Датчик давления
18 Датчик уровня наполнения
19 Датчик температуры
20 Трубопровод
21 Запорный вентиль
22 Датчик температуры
23 Байпас-трубопровод
24 Запорный вентиль
25 Сток
26 Байпас-трубопровод
27 Запорный вентиль
28 Сток
29 Управляющее устройство
30 Память
31 Датчик