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定量泵式灌装机设计说明书.rar

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    编号:20181016173635195    类型:共享资源    大小:1.87MB    格式:RAR    上传时间:2018-10-16
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    定量 灌装 设计 说明书
    资源描述:
    关于液态产品包装机械中产品灌装阀内的流动分析M.F. Rahamam¹, S. Bari², D. Veale²¹工业发展研究中心,南澳大学,S A 5095,澳大利亚²机械工程与制造发展学院,南澳大学,S A 5095,澳大利亚2007 年 2 月 3 日收到;2007 年 7 月 6 日收到修改稿;2007 年 7 月 11 日接受;2007 年 8 月 7 日联网摘要如今,全尺寸的计算流体动力学模型(CFD)已经用于液态产品包装机械中产品灌装阀内部的复杂流动分析中。基于 CIP(原位清洗)、产品顺行及灌装率,详细的压力、速度分析和壁面切应力分配被用来检验当前的阀设计。模型显示的关键区域可用于改进阀的CIP 和灌装效率。出口处观测到的回流的形成以及壁面区观测到的相对较低的切应力,是造成阀灌装率降低和 CIP 低下的主要原因。空化发生在包括流动区域在内的两个区域,导致设备产生不良的声压级和灌装效率的降低。最后,我们将提出一些可行的改进建议来解决这些问题,以提高产品质量、降低运行费用、改进阀的 CIP 性能。关键词:原位清洗(CIP);产品灌装阀;空化;灌装时间;湍流强度;壁面切应力1.介绍灌装机械是包装设备中较为复杂的一部分,它广泛应用于水、软饮料、酒等液态产品包装中。近年来,随着灌装系统的发展和完善,全球公司开始不断注重增加速度、设备利用率和产品通量等工艺。在对灌装速度的要求越来越高的背景下,产品灌装阀已经被 Scholle 公司(一家产品灌装阀制造商)视为当前系统中限制包装传递速度的部分之一。本次研究的案例是盒中袋包装(BIB)的应用,也就是说产品被包装在柔性塑料袋中,再被包装在纸箱中。在这次研究中,我们将分析把酒灌装至袋中的灌装阀,以决定当前材料、工艺、模型和制造的发展能否在保持原设备不变的同时,对产品流量的显著提升起到集成的作用。在该设备的二次设计中,重点在于 CIP 能力的提高、空化的削减和灌装速度的增加。除此之外,我们将测得阀产生的声压级。对设备而言,CIP 有下述几点显著的效用,包括:产品质量的提升、货架寿命的延长、劳动力消耗的降低和生产能力的提高。在上世纪中叶,人们发现流速是 CIP 设计中的影响因素,并已确定相当于系统最大管径中五英尺每秒的最小流量是完成彻底清洁的必要条件 (Gallot-Lavallee,Lalande Jennings, McKillopLelievre et al.,2002; Tucker Stevenson & Chen, 1997)也可以在相关文献中查得。然而,像 Jensen、Friis、Benezech、Lengentilhomme 和 Lelievre(2005)的大多数研究成果是基于简单的二维模型的,这对预测壁面切应力波动这个研究阀 CIP 性能的重要参数而言是不够的。因此,我们需要一套完备的三维分析。湍流强度低的区域的壁面切应力有着重要的研究价值,因为湍流强度降低,阀的清理能力也随之降低。如果能根据Lelievre 等人的研究结果审慎地评估湍流强度,有价值的原位清洗能力就能被获取。所以,在这项研究中,用于葡萄酒灌装阀设计的全尺寸三维模型已被用来检测流速、壁面切应力和空化,以评估诸如CIP、灌装率等关键操作参数。在澳大利亚,大多数这样的阀都被用来包装葡萄酒等在20°C与水具有相似物理性质的液体。在20°C 时,这些葡萄酒的粘度和具体比重分别是1.002 mNs/m²和0.991,和水十分接近。因此,我们把水作为阀重要参数检测时的工作液体。这项研究取得的结论能够证实,CFD分析可以作为产品灌装阀设计的有效辅助,并能为以后的发展提够有效指引。2. 产品阀的描述和建模产品阀是灌装机械和包装物之间的连接部分,它用于产品的分送,在全世界的酿酒厂、乳品厂、工业产品工厂的灌装机械上有多种应用。Scholle公司生产的产品阀已被广泛应用于酿酒厂,如图1所示。建模员用Gambit软件和该产品阀的工程图尺寸,建立一个阀内流体流域的计算机模型,并用FLUENY6.0进行分析。图2显示了标准阀上用于计算的计算机网格。该模型通过一系列从粗糙到精细的网格试验,从而实现网格独立。最终的几何体包含了45,029块四面体混合单元。有关该阀应用的全面研究表明,它已广泛应用于与水性能类似的饮料灌装中。在澳大利亚,该阀普遍用于酿酒业。正如前面所说,该设备的用户——一家酿酒厂的报告说,20°C 时,他们生产的葡萄酒的粘度和具体比重分别 是1.002 mN s/m²和0.991 ,和水十分接近。由此而知,我们可以设置一些基本参数用于计算机模型中。他们是:水在20°C下的所有流动特性、符合 ISO标准的运转环境、101,325kPa的大气压以及阀入口处200kPa的液体供应压力。图1. 产品灌装阀示意图图2. 计算网格标准雷诺平均 纳维-斯托克斯两方程 k-ε 湍流度被用于该模型中。标准k-ε 模型自从被 Launder and Spalding(1972)提出以来,已经成为工程实际流量计算的主要方法。湍流度动能方程、k 及其耗散率、ε 可从下面的运输方程中求得:其中 表示平均速度梯度引起的湍流动能的产生表示浮力引起的湍流动能的产生表示可压缩湍流中波动扩张对整体耗散率的贡献值为常数分别为 k 和 ε 的湍流普兰特尔数, 是用户自定义的源项对范围广泛的湍流来说,因其稳健性、经济性和适当的准确性,它在工业流量和传热仿真(Fluent manual, version 6.0)中普遍得到应用。在压力梯度和雷诺数较高的情况下,结果可能不太准确。然而,正如 Jensen 和 Friis(2004)以及Stevenson 和 Chen(1997)在研究中所观察到的,在不具备高压降和高雷诺数的流动区域内,我们可以准确预测产品灌装阀内湍流的变化。在这项研究中,k 的湍流普兰特尔数被设为 1.0,ε 的湍流普兰特尔数被设为 1.3。 分别设定为 1.44 和 1.92。我们可以运用商业 CFD 软件 Fluent6.0 完成仿真。以流动区域为研究对象,将它分割成一个个小的控制体积,以每个这样的小控制体积为例,可列出以下恒等方程:对连续性:其中 是研究对象的平均速度m 代表空化或用户自定义的源项引起的质量传递对动量:其中 n 是相位数F 是体积力是混合物的粘度, 是相位 k 的体积分数稳态仿真可以用SIMPLEC 算法(压力—粘度耦合)进行分析,二阶迎风差可被用在动量、湍流动能和湍流耗散率方程中。用Fluent软件求得的完整空化模型,可用于此项研究,它能分析相转移、气泡动力性、湍流压波动和不可凝结气体等所有一阶效应。进行完整稳态仿真时,收敛准则被设置为10⅓,收敛在1500次迭代之内。在此次仿真中,压力边界条件同时适于阀的入口和出口。入口压力设为2 bar,出口压力设为大气压( 101,325Pa)。所有的固体阻隔被描述为壁面,并假设流体为稳态下的牛顿不可压缩流体。Fluent软件关于当前几何结构的分析结果如本文所述。分析中令人感兴趣的是近壁区速度、湍流强度的等高线图以及阀的壁面切应力耗散。这些参数的等高线在所选的阀内部和外壁视平面上,有助于我们更好地了解复杂区域CIP性能的细节。3. 结果与讨论图3显示了产品灌装阀入口和出口处流体速度的等高线图。流体通过入口视平面时的速度显示了一致的速度分配,并与管道流动的环心性质吻合,速度从管壁处的0上升到中心的最大速度9m/s。然而,出口处的速度等高线由于其不对称性,更值得研究。与通常的直管流体不同,它产生最高速度的位置与中心有所偏移,观测到的出口处最高速度为17m/s。这种速度分配的不可预测性与阀内形状有关。为克服这些问题,我们可以考虑采取一些措施,比如:抬高入口阀杆、使阀体形状更接近圆形或者改变入口管的接入角度以避免60°弯曲。图3. 产品充填阀入口、出口处的流体速度研究中,作为试验,我们修改阀的几何结构,将阀杆提升10mm以检测形状的改变对阀性能的影响。为便于比较,采用与前期研究类似的入口边界条件和其他流体流动参数(速度、密度等)。如图4所示,此次分析的结果证实了速度分配方面的重要提升。对于原阀杆位置,如图5中平面速度分布图显示,穿过阀的速度等高线集中在完全敞开头寸。经过近几年的发展,流体的质量流率已经可以达到大约5.1kg/s,十分接近制造商的额定产品充填率5.0kg/s,且已通过此模型的验证。然而,此结果也显示出一些使阀效率降低的隐患。例如,在流体转过60°的1处(如图5),流体的速度急剧增加。此区域的高速流动会导致压降,并足以引发流体的空化,而空化是产生出口处逆向流的主要原因。如图6所示,导致灌装效率的损失。此外,大多数近壁区流速很低,并伴随有较低的湍流强度,这无疑会降低阀的CIP性能。基于当前几何结构的研究,将阀杆提升10mm能明显改善速度分配和灌装率。应用此改进将使阀的灌装率提高7.3%。这项发现将会成为日后致力于提升灌装速度和CIP性能的产品阀改进研究的基础。图4.原标准与升高 10mm后出口处速度等高线的比较图5.沿产品阀中平面的速度分配图6. 由阀出口处速度矢量表征的逆向流区域因为足够的壁面切应力可以清除污垢,因此壁面切应力图与CIP性能一样有用(Bergman & Trngardh,1990)。壁面切应力取决于速度,所以理论上只要有足够的压力和速度,几乎所有的形状都可以清洁。然而在现实中,由于管道系统和贴合压力规定值、泵和控制器尺寸、设备的体积和价格、操作者安全等实际因素的影响,CIP 压力应尽量小些。早期的研究结果显示,在大多数环境下过低的壁面切应力会导致不良的低CIP性。原始阀设计的壁面切应力分布如图7所示。从图7中我们可以观察到,大量的阀内壁受到很小的壁面切应力(<90kPa),可能无法满足清洁的要求,导致CIP 性能低下。然而,正如本文提到的,即使低于100kpa,切应力的充足波动也会产生良好的清洁效果。所以,在阀清洁性能的评估中,检测低切应力区域的切应力波动是十分重要的。如前文所述,我们可以将湍流强度作为壁面切应力波动的参照。所以相同操作环境下的湍流强度图对分析壁面切应力十分重要。阀内壁面的湍流强度等高线图如图8所示。如果参照Jensen et al(2005)提出的关系式,湍流强度中15%的波动就相当于大概10%的壁面切应力波动。Lelievre et al(2002)指导的试验中指出,10% 的波动不足以显著提升清洁能力。以该研究为指导,图8中的深蓝色区域因为与壁面切应力极低的区域一致而很难进行原位清洁的结论是经不起推敲的。运用前面章节中建议的替换性设计,可能产生更好的液体流通进而在阀体内产生更大的湍流强度,从而提高CIP性能。图8. 阀壁的湍流强度分布( %)近年来,产品在途径阀的过程中进行处理的方法已经在终端用户中收效显著。在改进后的环境下,诸如口味、香味等产品的细节特性将会改变,尤其对那些气溶性产品而言,因此我们需要进一步探讨。高流速和不利的压降会对产品的特性产生消极的影响。如果压力低至灌装液体的蒸汽压,蒸发的液体会占据部分流体的位置,从而导致空化。除此之外,因为压力较低,已溶解的气体开始从溶液中跑出,降低了产品的质量和灌装效率。图9显示了原始阀设计中两平面的静压力分布:第一个是阀的对称中心面,第二个距离出口7.5mm且平行于出口的投影面。该图清楚地展示了各区域的压降及其范围。流体中压力最低的区域可被预测出,预测的压力远低于水蒸气的压力。因为压力降低,水可能在常温(20°C)下蒸发,导致空化和气泡的形成。在制造商的实验研究中也提及了形成气泡的相似情景。为获取观看阀运转时的清晰视野,我们安装了视镜以观察运转时气泡的形成。通过优化设计来消除低压区域,可以在维持产品质量的同时提高阀的效率。图9. 平面1、2的静压力分布柱形图显示,在模型中组成流动路径的45,029块单元中,只有大约2.6%的单元低于周围大气压。这些单元中大多数的压力降低了100kPa甚至更少,但少部分单元的压力降至极低。压力柱形图如图10所示,显示了低压单元的分布情况。因为空化取决于液体的蒸汽压力(Miller,1990),所以在水的情况下,图中仅有左侧的少部分单元值得考虑。如果是葡萄酒或乙醇等蒸汽压高于水的混合物,需考虑更多的单元。能溶于液体的空气和二氧化碳等因素可能更为重要,因为它们可以在扩散中形成气泡,限制流体的流动,导致灌装速度低下。图10. 低压单元的分布4. 结论对于酿酒业中灌装袋包装的产品灌装阀,CFD研究显示,流态中的一些区域可被改进以提高阀的性能和产品质量。当前设计表明,在流体流经60°弯角处的空化现象是引起回流和灌装效率损失的主要原因。因此,在灌装机械中,CFD关于该类型流动的分析是行之有效的。然而,我们还应推进更多关于可供选择设计的研究,以确保阀运转过程中无空化现象。此外,CFD分析还能识别那些湍流强度极低的区域,并反过来表征该阀的低CIP性能。最后我们再次强调,借由CFD 分析的帮助,本阀的可供选择性设计可达到消除空化、提升CIP性能的效果,并带来诸如优化产品加工、提高充填效率、减少劳动力消耗等明显效益。
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