Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования.. 9
1.1. Характеристики пищевых жидкостей, разливаемых в различную тару 9
1.2. Классификация устройств и методов розлива 14
1.3. Существующие конструкции разливочных устройств и методы их расчета 22
1.4. Исследования течений жидкости в насадках, путей повышения расходных характеристик 32
1.5. Цели и задачи исследований 42
ГЛАВА 2. Теоретические предпосылки гидродинамики процесса розлива жидкостей на разливочных устройствах 45
2.1. Гидравлическая классификация устройства для розлива 45
2.2. Уравнения процесса заполнения бутылки при гравитационном методе розлива по уровню 48
2.3. Уравнения процесса заполнения бутылки при гравитационном методе розлива по уровню с учетом изменяемости коэффициентов расхода трактов 64
2.4. Уравнения процесса для гравитационных условий розлива по объему 69
2.5. Исследование процесса заполнения стакана дозатора разливочного устройства 74
ГЛАВА 3. Экспериментальные установки и методики исследования гидродинамики процесса розлива 79
3.1. Определение гидравлически наивыгоднейших соотношений площадей трактов 79
3.1.1. Процесс заполнения бутылки 79
3.1.2. Процесс заполнения стакана дозатора разливочного устройства по объему 88
3.2. Определение номинального положения шатра устройства с дозированием по уровню 90
3.3. Исследования расходных характеристик кольцевых насадков сливных трактов 95
3.3.1. Определение вида критериальных уравнений 95
3.3.2. Описание экспериментальной установки, методика проведения опытов 97
3.4. Исследования влияния колебаний на расходные характеристики сливного тракта 100
Глава 4. Некоторые результаты экспериментальных исследований 105
4.1. Определение гидравлически наивыгоднейших соотношений площадей сечений трактов 105
4.2. Исследования процесса заполнения стакана дозатора разливочного устройства 116
4.3. Номинальное положение шатра 118
4.4. Экспериментальные исследования расходных характеристик насадков. Эмпирическая формула 120
4.5. Исследования влияния колебаний на расходные характеристики насадков 123
Выводы
Заключение
- Существующие конструкции разливочных устройств и методы их расчета
- Уравнения процесса заполнения бутылки при гравитационном методе розлива по уровню
- Определение номинального положения шатра устройства с дозированием по уровню
- Экспериментальные исследования расходных характеристик насадков. Эмпирическая формула
Введение к работе
В настоящее время, в период рыночной экономики, перед пищевым машиностроением стоит задача разработки и освоения выпуска универсальных высокопроизводительных машин для розлива пищевых жидкостей и автоматизированных линий, которые были бы конкурентоспособными на мировом рынке.
Совершенствование оборудования должно быть направлено на повышение технического уровня и качества, в том числе, на увеличение производительности, улучшение технологических характеристик без существенного увеличения затрат на изготовление и эксплуатацию оборудования.
Увеличение производительности разливочных машин простым увеличением количества разливочных устройств не может удовлетворить задачу повышения эффективности. Такой путь ведет к значительному возрастанию массы машины и увеличению потребления электроэнергии. В увеличении производительности интенсивным методом, без увеличения количества разливочных устройств, видятся возможности значительного повышения эффективности производства.
Очевидно, что успешное решение поставленных задач возможно лишь в единении теории и практики. Для создания высокопроизводительных разливочных устройств необходимы дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования гидравлических характеристик разливочных устройств и процесса розлива в целом. Решения задач, поставленных в настоящей работе, базируются на трудах Н.Ф.Харитонова, П.Н.Галасова, С.И.Цитовского, Д.А.Ярмолинского, Ц.Р.Зайчика, В.Г.Студилина, Х.Брандона, К.Кларка, а в части исследования истечения через насадки также А.Д.Альтшуля, Е.З.Геллера, Ю.А.Скобельцына и других.
Анализ советской и зарубежной научно-технической литературы показал, что требуют дальнейших исследований процесс течения маловязких пищевых жидкостей в каналах разливочных устройств. До настоящего времени не предпринималась попытка теоретического определения гидравлически наивыгоднейших соотношений площадей сечений сливного и газового отводящего трактов разливочного устройства. В основном применялись эмпирические способы улучшения характеристик разливочных устройств. Гидравлически наивыгоднейшим назовем такое соотношение площадей сечений трактов, когда при неизменной их общей суммарной площади наблюдается максимальная пропускная способность сливного тракта. Такие исследования позволили бы существенно повысить производительность как разливочного устройства, так и машины розлива в целом. Недостаточно обоснованы расчетные зависимости для определения коэффициентов расхода насадков сливных трактов с кольцевой формой поперечного сечения, которые рассчитываются по различным методикам (в основном по приведенным площадям). Мало исследовано влияние колебаний на истечение через цилиндрические кольцевые насадки разливочных устройств.
Целью исследований являлась разработка разливочного устройства с гидравлически наивыгоднейшими параметрами трактов, при которых будет наблюдаться максимальный расход и максимальная производительность; разработка инженерных методов расчетов гидродинамических процессов в трактах разливочных устройств.
Для достижения указанной цели затрагивались следующие задачи: определение вида зависимостей, описывающих процесс розлива; получение общего вида уравнения расхода жидкости через сливной тракт с учетом течения вытесняемого газа; определение гидравлически наивыгоднейших соотношений площадей сечений трактов разливочного устройства; получение эмпирической зависимости для определения коэффициентов расхода кольцевых насадков сливных трактов различных относительных длин.
В работе исследовался процесс розлива только маловязких пищевых жидкостей, которые с достаточной степенью точности можно отнести к ньютоновским. В качестве базового для исследований выбран гравитационный метод розлива с дозированием по объему и по уровню, способ формирования струи - "шатром".
Применены как теоретические методы исследования процесса розлива с построением простейшей математической модели, так и экспериментальная проверка адекватности полученных результатов, а также экспериментальные исследования влияния на процесс некоторых параметров разливочного устройства. Эксперименты проводились на специальных установках и стендах с условиями близкими к реальным.
В результате разработки теоретических предпосылок, получена формула, позволяющая определять расход жидкости, в которой учтены физико- химические свойства жидкостей и газов, гидравлические и геометрические параметры разливочного устройства. Ее анализ позволил определить зависимости для расчета гидравлически наивыгоднейших соотношений площадей сечений сливного и газового отводящего трактов, при которых достигается максимальный расход. Расчет по этой зависимости дает возможность задавать необходимые размеры трактов на стадии проектирования, с целью получения максимальной производительности разливочного устройства. Экспериментальная проверка показала, что параметры разливочного устройства, рассчитанные по найденным зависимостям близки к оптимальным. Экспериментально установлено также наличие номинального положения шатра на газоотводящей трубке, характерного для бутылок различных типов.
Предложена зависимость для определения продолжительности заполнения стакана дозатора разливочного устройства при розливе по объему, анализ которой показал невозможность определения гидравлически наивыгоднейших соотношений площадей сечений трактов заполнения жидкостью и отвода газа, так как функция максимизированию не поддается вследствие отсутствия четкой взаимосвязи размеров указанных трактов.
Экспериментально исследовано влияние колебаний на процесс истечения жидкости через насадок разливочного устройства. Установлено, что подбором длин пластин гидродинамического излучателя, при которых наблюдается резонанс, можно увеличить расход жидкости через сливной тракт на 11-14%. Увеличение расхода при возбуждении вынужденных колебаний в стакане дозатора не получено.
Определены зависимости для расчета коэффициента расхода цилиндрических кольцевых насадков различных относительных длин в широком диапазоне чисел Рейнольдса.
Теоретические и экспериментальные исследования показали возможность повышения производительности разливочного устройства на 30-50% за счет оптимизации соотношения площадей сечений трактов без существенного изменения конструкции как разливочного устройства, так и машины в целом. Предложены методы расчета разливочных устройств как с принципом дозирования по уровню, так и по объему, со стаканами дозаторов различных форм. На основе найденных зависимостей разработана программа расчета разливочного устройства на ЭВМ , как аналитическим, так и графоаналитическим методами.
Результаты исследований могут быть использованы при проектировании новых и модернизации действующих разливочных устройств, они позволили разработать опытный образец разливочного устройства повышенной производительности с принципом дозирования по объему и разливочное устройство с принципом дозирования по уровню. Установка первого на серийную машину с внесенными в конструкцию изменениями может повысить ее производительность на 30% по сравнению с базовым. Опытные образцы разливочных устройств прошли проверку в лаборатории гидравлики и гидромашин СевероКавказского государственного технического университета, на испытательном стенде ПО "Пищемаш" (г.Москва), на Буденновской опытной станции виноградарства и виноделия, в ОАО «Ставропольский завод виноградных напитков».
Автор благодарит сотрудников кафедры "Пищевые машины" Московской государственной технологической академии (Всесоюзного заочного института пищевой промышленности и кафедры "Гидравлики и гидромашин" СевероКавказского государственного технического университета (Ставропольского политехнического института) за помощь и советы, способствующие выполнению данной работы.
Существующие конструкции разливочных устройств и методы их расчета
Что касается поверхностного натяжения, то его величина для сухих вин, шампанских виноматериалов также изменяется в зависимости от температуры, причем по линейному закону /74/. Примерно такой же закон изменения поверхностного натяжения и для пива, сливок, обезжиренного и цельного молока /101/. Эти зависимости также представлены на рис. 1.1.
Наибольший интерес представляют исследования вязкости жидкостей. Знание законов ее изменения необходимы в различного рода гидродинамических расчетах. Обратимся к работам, посвященным этим исследованиям. Рассмотрим исследования вязкости различных сортов вин и водно-спирто- сахарных растворов.
Вина и водно-спирто-сахарные растворы, согласно вышеприведенным классификациям, можно отнести к маловязким продуктам. Как отмечается в /72, 73/, вязкость вин в большой степени определяется содержанием этилового спирта. С увеличением его концентрации вязкость вин повышается. Однако, эта зависимость проявляется только до предельно возможного содержания спирта в вине и при концентрации 45% и выше вязкость уменьшается. На вязкость оказывает влияние и экстрактивные вещества, а также содержание сахара. При одинаковом содержании спирта вязкость красных вин несколько выше, чем белых. Если рассмотреть зависимость вязкости от температуры, то отмечается, что у вин с высоким содержанием спирта вязкость с повышением температуры уменьшается сильнее, чем у богатых сахаром, но с меньшим содержанием спирта. Зависимость вязкости от температуры для различных вин, пива и молока представлена на рис. 1.2.
А в работе /73/ предложена эмпирическая формула для определения коэффициента динамической вязкости вин, полученная на основании анализа исследований автора, а также других исследователей. Предусмотрены поправочные коэффициенты на содержание спирта, сахара и температуру вина. Показано, что содержание углекислого газа снижает вязкость вина, однако незначительно, а наличие взвеси изменяет структуру и увеличивает вязкость. Проверка эмпирической формулы проведена Т. Л. Парфентьевой и, как показано в /82/, формула дает высокую сходимость с данными эксперимента.
Более общие данные о вязкости водно-спирто-сахарных растворов приведены в /112,114/, где рассматривается удельная вязкость указанных растворов по отношению к водно-спиртовым при температуре 20С. В изученном интервале концентрации спирта и сахарозы от 0 до 45% удельная вязкость практически не зависит от концентрации спирта и температуры, а зависит только от концентрации сахарозы. Выведенными уравнениями можно пользоваться при вычислении вязкости ликеро-водочных изделий, вин, пива.
Как показано в работе /76/ вина, при определенных температурах, проявляют незначительную склонность к неньютоновскому поведению и их можно отнести к псевдопластичным жидкостям. Однако, при малых скоростях сдвига они ведут себя как ньютоновские.
Соки также часто фасуют в оборотную тару. В работе /101/ отмечается, что осветленные соки при течение практически не проявляют аномалии вязкости и могут быть отнесены к ньютоновским жидкостям, но наличие в соках взвеси, состоящей из крупных частиц, приводит к аномалии вязкости/31, 67, 101/. Часто соки имеют температурные аномалии вязкости, в частности в /111/ показано, что виноградный и яблочный осветленные соки могут иметь температурные аномалии вязкости при температуре 70-=-75С. Однако, их можно не учитывать, так как розлив осуществляется при более низких температурах. В работе /16/ аналогичная аномалия при температуре 80С отмечена для арбузного сока. Авторы /16,111/объясняют аномалии наличием ионизированных групп частиц, создающих при указанных температурах силы взаимного отталкивания. Соки обладают слабо выраженной структурой.
Маловязкие молочные продукты также могут проявлять аномальное поведение, но оно незначительно и при инженерных расчетах может не учитываться, то есть их можно считать ньютоновскими.
Отметим, что наличие или отсутствие углекислого газа в жидкости, подверженность ее окислению и аэрации, наличие эфирных масел и экстрактов также влияет на выбор метода розлива. В зависимости от этих факторов жидкости могут подразделяться на три группы: - продукты, не содержащие углекислый газ и легко улетучивающиеся пары эфирных масел и слабо подверженные окислительному процессу при аэрации (тихие вина, ликеро-водочные изделия и т.п.); - продукты, содержащие углекислый газ и пары легко улетучивающихся эфирных масел (игристые вина, газированные напитки); - продукты не содержащие углекислый газ и легко улетучивающихся паров эфирных масел, но сильно подверженные окислению. Из выше рассмотренных систем классификации и некоторых свойств пищевых жидкостей и можно сделать следующие выводы: - большинство жидкостей, разливаемых в тару являются маловязкими; - их можно, с достаточной степенью точности, отнести к ньютоновским. Свойства жидкости во многом определяют выбор метода розлива, так как при розливе должны соблюдаться требования к качеству продукта, точности дозирования и т.п. В зависимости от заданных технологических требований и техники их осуществления, разливочные устройства (машины) можно разделить на различные группы. Проанализируем известные классификации разливочных автоматов и устройств, рассмотрев все возможные методы розлива, и выделим наиболее прогрессивные.
Классификация проводится по принципу дозирования, методу розлива, способу формирования струи жидкости, конструкции наполнительного элемента разливочного устройства и т.п.
Классификация, в которой разливочные устройства разделены на дозирующие аппараты и разливочные приборы, приведена в /99/. В ее основу положены конструктивные особенности разливочных устройств, в частности, такие как конструкция дозатора - ковшовый, камерный; регулируемый, нерегулируемый; способ перекрытия потока жидкости - крановый, золотниковый, клапанный. Предлагаемая крассификация практически не учитывает особенности гидравлических различий разливочных устройств, не дает полного представления о характеристиках осуществляемого метода розлива, в какой-то степени отражая только два принципа дозирования - по объему и по уровню.
В работах /119, 98/ отмечено, что розлив маловязких пищевых жидкостей осуществляется тремя основными методами: гравитационным, изобарическим, под вакуумом. Последний имеет две разновидности. Первая разновидность, когда вакуум создается и в бутылке и в расходном резервуаре; а вторая, когда вакуум создается только в бутылке. В первом случае истечение происходит самотеком, аналогично гравитационному и изобарическому методам, во втором - в условиях разности давлений, что позволяет получить большие скорости истечения жидкости.
Гравитационным методом разливаются жидкости, имеющие небольшую тенденцию к вспениванию, а также жидкости, не содержащие легко улетучивающихся эфирных масел. Изобарическим методом могут разливаться пенящиеся жидкости, розлив которых гравитационным методом невозможен, вследствие выделения из них углекислоты. Розлив под вакуумом обеспечивает минимум соприкосновения разливаемого продукта с воздухом, исключает подтекание продукта и его потери при наливе в дефектную бутылку.
Уравнения процесса заполнения бутылки при гравитационном методе розлива по уровню
В /145/ приведена классификация, составленная исходя из реальных физических условий розлива. В ней рассмотрены как методы осуществления розлива, так и конструктивные особенности разливочных устройств. С ней хорошо согласуются названия методов, предложенные авторами /39, 132, 133, 134/. В классификации рассматриваются частные случаи розлива: с низким и высоким вакуумом, изобарометрия при избыточном, атмосферном давлениях и вакууме. В указанной классификации рассмотрено больше частных случаев розлива, чем в /39/, причем физические условия розлива более конкретизированы.
Целый ряд работ проанализирован при составлении классификации /90/. По мнению Фонлупа разливочные устройства по объему следует классифицировать по конструкции дозатора, а классификация разливочных устройств с дозированием по уровню затруднена. Приводится упрощенная классификация с разделением на сифонный розлив, изобарический при следующих движущих силах процесса: гравитационные силы, разрежение (вакуум) или разность давлений.
На основании анализа рассмотренных классификаций можно выделить основные признаки, характеризующие процесс и методы розлива: - физические условия осуществления розлива /39, 90, 119, 133-134, 145/; -принцип дозирования /39,99,133-134,145/; - конструкция формирующего поток элемента /102, 145/. Эти признаки имеют определяющее влияние на процесс розлива, остальные можно рассматривать как второстепенные. Для составления обобщающей классификации, учитывающей основные признаки, характеризующие процесс и методы розлива необходимо учесть все лучшее, что есть в предложенных выше классификациях, а также увязать классификацию с методами гидравлического расчета разливочных устройств. Расчет сводится к определению продолжительности заполнения бутылки и выбору наиболее приемлемой конструкции сливного и газоотводящего трактов. Рассмотрим известные у нас и за рубежом конструкции разливочных устройств, с целью выявления основных конструктивных параметров, влияющих на гидравлические сопротивления в насадках сливного и газоотводящего трактов, без учета принципа дозирования и метода розлива. Обратим основное внимание на конструкции вышеуказанных трактов. В известной работе Цитовского С.И. и Шуваловой Н.С./119/подробно описаны конструкции ряда разливочных устройств для различных жидкостей, часть из которых уже не применяется, но для общего анализа их необходимо использовать. Поскольку нас интересуют только конструктивные особенности каналов для жидкостей и газов, работающих при заполнении бутылки, и их взаимосвязь, сведем описание конструкций /119/ в таблицу 1.1, построенную по этому принципу, дополнив ее данными из других источников. В более поздних работах /45, 48, 49, 118, 123/ описаны разливочные устройства, большинство из которых используется и в настоящее время. Как видно из анализа /26, 27, 45, 48, 49, 102, 105, 119, 123, 125, 126, 136, 143, 146/, наиболее распространенной является конструкция с газоотводящей трубкой, расположенной концентрично относительно сливного жидкостного канала. В этом случае получается наибольший смоченный периметр, что снижает вспенивание и аэрацию /121/. Другие конструкции сливных трактов имеют меньшие значения смоченного периметра, что приводит к турбулизации потока и повышает вспенивание и аэрацию, особенно при высоких скоростях розлива. Известно, что формы каналов для жидкости имеют большое разнообразие: имеются конструкции с длинными и короткими сливными насадками, которые могут быть без внутренней газоотводягцей трубки ("чистые") или с внутренней газоотводящей трубкой (кольцевые). Под длинными насадками будем иметь в виду насадки с отношением длины к диаметру больше 10, а под короткими с отношением от 3 до 10. Это разделение носит условный характер и несколько расходится с предложенными в гидравлике пределами /19, 32, 46/. Отметим, что не будет иметь значения, выступает насадок за пределы корпуса разливочного устройства или расположен в нем, в отличие от названий в зарубежной литературе, где разливочные устройства, не имеющие выступающих из корпуса насадков, называются безнасадочными /135, 145/, хотя насадки как таковые присутствуют.
Анализируя данные таблицы 1.1 отметим, что сливной насадок присутствует во всех конструкциях разливочных устройств. Он может иметь и достаточно сложную форму, состоять из сочетания цилиндрических, конических и коноидальных элементов. В соответствии с этим и выбирают расчетные формулы для сливного тракта. Сочетания конструкций каналов для жидкости и газа может иметь достаточно большое разнообразие, но основные виды можно представить в виде следующих сочетаний (рис. 1.6).
Определение номинального положения шатра устройства с дозированием по уровню
Известно устройство для снижения трения в трубопроводах и шлангах /10/, которое основано на принципе воздействия звуковых колебаний на поток жидкости, благодаря чему увеличивается дальность полета струи из насадка, что, по-видимому, обусловлено уменьшением потерь на трение в трубопроводе, шланге.
Как видно, вибрация и колебания могут как улучшать, так и ухудшать характеристики течения. Это зависит от рода жидкости и от характеристик колебательного процесса.
Исследованиям влияния вибрации на процесс истечения жидкости через отверстия и насадки посвящены работы/69, 70, 71/. В них установлено, что чем меньше частота колебаний, тем ощутимее влияние на расходные характеристики вибрационного ускорения, а чем меньше вибрационное ускорение, тем меньше влияние частоты /69/. Отмечается /70/, что коэффициент расхода существенно уменьшается с ростом вибрационной перегрузки и увеличивается с возрастанием частоты. Уменьшение коэффициента расхода при наложении колебаний значительно сократилось при росте относительной длины. Отмечено, что масса жидкости практически не влияет на коэффициенты расхода при любых условиях /71/.
Результаты исследований /86/ позволили подобрать целесообразную форму входной кромки насадка при наличии вибрации системы (относительная длина конической части 0,1, угол конуса 30%90 или относительный радиус 0,15).
При экспериментальных исследованиях в вышеуказанных работах применялись вибрационные стенды. Но существует метод возбуждения колебаний с помощью гидродинамического излучателя. Источником энергии является кинетическая энергия струйного течения. Это устройство применяется для гомогенизации молока и других продуктов /64, 81/. Устройство для эмульгирования смесей при производстве жидких молочных продуктов описано в работе /97/. Однако увеличения расхода при воздействии на поток жидкости не наблюдалось, а, возможно, такая цель и не ставилась из-за чего явление оказалось незамеченным.
Из анализа работ можно сделать заключение, что влияние колебаний на расходные характеристики насадков, особенно кольцевой формы, все- таки недостаточно изучено. Повышение производительности разливочного устройства интенсивным способом позволит повысить производительность машины розлива в целом /67/, так как ее производительность определяется продолжительностью цикла розлива, числом разливочных устройств и частотой вращения карусели. Первый путь - увеличение числа разливочных устройств приводит к значительному увеличению массы и габаритов машины, масса только карусели при увеличении числа разливочных устройств вдвое увеличится почти в четыре раза, так как по оценкам /78/ ее масса пропорциональна квадрату диаметра карусели. Соответственно возрастет и энергопотребление разливочной машины. Второй путь - снижение продолжительности технологического цикла розлива является более эффективным и поэтому в дальнейшем и будет рассмат- ваться. Как установлено в разделе 1.1 маловязкие пищевые жидкости относятся, как правила, к ньютоновским, а неньютоновские свойства в них практически не проявляются. Поэтому будем рассматривать тихие жидкости как ньютоновские. Тихие жидкости разливаются в основном гравитационными изобарическим методами с принципами дозирования по объему и по уровню. Поэтому ограничимся рассмотрением только вышеуказанных, сведя их в один, из принципов дозирования. А проанализировав конструкции сливных и газоот- водящих трактов, а также способы формирования струи, остановимся на рассмотрении наиболее часто встречающихся: концентрично расположенных трактов с шатром, формирующим струю жидкости. Методы расчета производительности разливочных устройств, применяемые в настоящее время, также не обеспечивают целенаправленного получения характеристик разливочного устройства, имеющего максимальную производительность, так как в основном это методы проверочного расчета. Предлагаемые исследователями способы улучшения расходных характеристик, хотя и дают некоторые положительные результаты, однако сводятся к улучшению чистоты обработки стенок трактов, изменению конструкций входной и транзитной части насадков сливных трактов, снижению гидравлических сопротивлений добавками поверхностно-активных веществ. Целью настоящей работы является разработка разливочного устройства с гидравлически наивыгоднейшими параметрами трактов, при которых будет наблюдаться максимальный расход и, соответственно, максимальная производительность; разработка инженерных методов расчетов гидродинамических процессов в трактах разливочных устройств. В отличие от общепринятых методов увеличения производительности путем подбора насадков специальной формы, специальных покрытий сливного тракта, изменения конструкций трактов, клапанов и тому подобного, предлагается найти гидравлически наивыгоднейшие соотношения площадей сечений сливного и газового отводного каналов с учетом влияния на расходные характеристики гидравлических сопротивлений, физических свойств разливаемой жидкости и вытесняемого газа. В этом состоит новизна подхода к решению рассматриваемой проблемы. В соответствии с поставленной целью определены следующие основные задачи: - разработка математической модели и отыскание зависимостей, описывающих процесс розлива в целом, с учетом взаимосвязи процессов течения жидкости и вытесняемого газа в каналах разливочных устройств, на основании анализа которых можно было бы определить гидравлически наивыгоднейшие геометрические характеристики каналов для заданных условий розлива, определенного класса жидкостей и конструкции устройства; - определение значений гидравлически наивыгоднейших соотношений площадей сечений трактов, положения шатра при заполнении бутылки, а также соотношение площадей сечений трактов заполнения и отвода газов при заполнении стакана разливочного устройства; - проведение экспериментальной проверки адекватности решения вопроса о наличии гидравлически наивыгоднейших соотношений и подтверждения теоретических предпосылок экспериментом; - определение эмпирической зависимости коэффициента расхода кольцевого цилиндрического насадка от числа Рейнольдса и относительной длины; - выявление влияния колебаний на процесс истечения жидкости через сливной тракт разливочного устройства Решение перечисленных задач позволит добиться поставленной цели и существенно улучшить расходные характеристики сливного тракта разливочного устройства, повысив тем самым производительность машины розлива.
Экспериментальные исследования расходных характеристик насадков. Эмпирическая формула
В главе 2 теоретически доказана возможность существования гидравлически наивыгоднейших, с точки зрения получения максимального расхода, соотношений площадей сечений жидкостного и газоотводящего трактов. Для экспериментального подтверждения этого положения и проведения других экспериментальных исследований с разливочными устройствами, был разработан и изготовлен однопозиционный стенд, представляющий собой упрощенный вариант автомата розлива. Разница состоит в том, что стенд установлен стационарно, карусель отсутствует, имеется только одно гнездо для установки разливочного устройства.
Стенд (рис.3.1.) состоит из сварной станины 1, на которой размещен расходный резервуар 2 с поперечными размерами, близкими к размерам расходного резервуара автомата. Площадь зеркала жидкости в нем значительно больше площади зеркала жидкости в стакане разливочного устройства, что дает возможность поддерживать напор жидкости во время проведения опыта практически постоянным при испытании разливочного устройства по объему. Для контроля уровня жидкости в расходном резервуаре установлено водомерное стекло 3, а расходный резервуар соединен патрубком с разливочным устройством 4, которое установлено на станине в специальном регулируемом гнезде 5. Так как расходный резервуар соединен с разливочным устройством по принципу сообщающихся сосудов, то установив определенный уровень жидкости в расходном резервуаре, получим аналогичный уровень в стакане разливочного устройства.
Бутылка 6, подлежащая наполнению, устанавливается на подъемный столик 7 и поджимается к разливочному устройству с помощью рычажной системы 8. После окончания заполнения бутылка возвращается в исходное положение пружиной 9. При необходимости жидкость доливается до заданного уровня в баке 2 из дополнительного бачка И через кран 10. Допустимые понижения уровня рассчитываются исходя из реальных возможных понижений уровня при розливе на автомате. Температура поддерживалась в пределах 15-20 С и контролировалась с помощью нормального термометра.
На экспериментальный стенд с помощью регулируемого гнезда можно устанавливать разливочные устройства с принципом дозирования по объему и по уровню, принципы действия которых описаны ниже. Эксперименты проводились с бутылками вместимостью 500 мл (ГОСТ 10117-80).
Разливочное устройство с принципом дозирования по объему представлено на рис.3.2. Для исследований было выбрано устройство к автомату серии ВРМ. Устройство состоит из корпуса 1, закрепленного в нем мерного стакана 2, в верхней части которого расположен вытеснитель 3 для регулирования объема жидкости в стакане. В стакане 5 расположена клапанная система, а колокольчик 6 предотвращает клапанную систему от выпадения. Клапанная система состоит из двух клапанов - отсекающего 7 и сливного 8.
При работе разливочного устройства вкладыш 9 поднимается вверх, сжимая пружину 10 и увлекая за собой поршень 11 с газоотводящей трубкой 12 и втулкой 13. Клапан прижимается к седлу втулки мерного стакана 14, сжимается пружина 15, сливной клапан открывается и жидкость стекает в бутылку по сливному тракту, образованному внутренними поверхностями сливной втулки, поршня, вкладыша 16 и наружной поверхности газоотводящей трубки 12. На нижнем конце трубки 12 имеется "шатер", представляющий собой конусообразный элемент, направляющий поток жидкости на стенки бутылки. Воздух из бутылки вытесняется по внутреннему каналу газоотводя- щей трубки и трубке отвода 17 и выходит в атмосферу.
Когда наполненная бутылка начинает опускаться вниз, пружины разжимаются и вкладыш 9 возвращается вниз вместе со всеми взаимодействующими частями. Сливной клапан закрывается и, после полного опускания вкладыша 9 в первоначальное положение, открывается канал заполнения мерного стакана жидкостью. Жидкость из расходного резервуара через соединительную трубку и штуцер 18 попадает в разливочное устройство и происходит выравнивание уровней жидкости в расходном резервуаре и стакане 2.
Для фиксации вытеснителя 3, после настройки на заданный объем, в верхней части его установлена гайка 19. А для регулировки продолжительности наполнения мерного стакана в зависимости от вязкости жидкости предусмотрена возможность изменения зазора между втулкой 14 и клапанной системой.
Для исследования розлива по уровню было изготовлено разливочное устройство, представленное на рис.3.3. Оно состоит из корпуса 1 с закрепленным в нем сливным насадком 2, в котором размещена газоотводящая трубка 3, соединенная с тарельчатым сливным клапаном 4. В нижней части корпуса расположена мембрана, соединенная со стаканом 5, а также центрирующий колокольчик 6 с направляющими 7.
При подъеме бутылки, она центрируется колокольчиком 7 и подается под сливной насадок 2, взаимодействуя со стаканом 5, который упираясь закраинами в газоотводящую трубку 3, поднимается и открывает сливной клапан 4, после чего жидкость течет по сливному насадку между его внутренней поверхностью и наружной поверхностью газоотводящей трубки. На последней установлен шатер 8, который направляет поток жидкости на стенки бутылки. Воздух вытесняется из бутылки по внутреннему каналу газоотводящей трубки 3 и трубки отвода 9, и выходит в атмосферу.
