0002-定量泵式灌裝機(jī)設(shè)計(jì)（全套CAD圖14張+說(shuō)明書(shū)）,定量,灌裝,設(shè)計(jì),全套,cad,14,說(shuō)明書(shū),仿單 關(guān)于液態(tài)產(chǎn)品包裝機(jī)械中產(chǎn)品灌裝閥內(nèi)的流動(dòng)分析 M.F. Rahamam1, S. Bari2, D. Veale2 1工業(yè)發(fā)展研究中心，南澳大學(xué)，S A 5095，澳大利亞 2機(jī)械工程與制造發(fā)展學(xué)院，南澳大學(xué)，S A 5095，澳大利亞 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日聯(lián)網(wǎng) 摘要 如今，全尺寸的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型（CFD）已經(jīng)用于液態(tài)產(chǎn)品包裝機(jī)械中產(chǎn)品灌裝閥內(nèi)部的復(fù)雜流動(dòng)分析中。基于CIP（原位清洗）、產(chǎn)品順行及灌裝率，詳細(xì)的壓力、速度分析和壁面切應(yīng)力分配被用來(lái)檢驗(yàn)當(dāng)前的閥設(shè)計(jì)。模型顯示的關(guān)鍵區(qū)域可用于改進(jìn)閥的CIP和灌裝效率。出口處觀測(cè)到的回流的形成以及壁面區(qū)觀測(cè)到的相對(duì)較低的切應(yīng)力，是造成閥灌裝率降低和CIP低下的主要原因。空化發(fā)生在包括流動(dòng)區(qū)域在內(nèi)的兩個(gè)區(qū)域，導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生不良的聲壓級(jí)和灌裝效率的降低。最后，我們將提出一些可行的改進(jìn)建議來(lái)解決這些問(wèn)題，以提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低運(yùn)行費(fèi)用、改進(jìn)閥的CIP性能。 關(guān)鍵詞：原位清洗（CIP）；產(chǎn)品灌裝閥；空化；灌裝時(shí)間；湍流強(qiáng)度；壁面切應(yīng)力 1.介紹 灌裝機(jī)械是包裝設(shè)備中較為復(fù)雜的一部分，它廣泛應(yīng)用于水、軟飲料、酒等液態(tài)產(chǎn)品包裝中。近年來(lái)，隨著灌裝系統(tǒng)的發(fā)展和完善，全球公司開(kāi)始不斷注重增加速度、設(shè)備利用率和產(chǎn)品通量等工藝。在對(duì)灌裝速度的要求越來(lái)越高的背景下，產(chǎn)品灌裝閥已經(jīng)被Scholle公司（一家產(chǎn)品灌裝閥制造商）視為當(dāng)前系統(tǒng)中限制包裝傳遞速度的部分之一。本次研究的案例是盒中袋包裝（BIB）的應(yīng)用，也就是說(shuō)產(chǎn)品被包裝在柔性塑料袋中，再被包裝在紙箱中。在這次研究中，我們將分析把酒灌裝至袋中的灌裝閥，以決定當(dāng)前材料、工藝、模型和制造的發(fā)展能否在保持原設(shè)備不變的同時(shí)，對(duì)產(chǎn)品流量的顯著提升起到集成的作用。 在該設(shè)備的二次設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)在于CIP能力的提高、空化的削減和灌裝速度的增加。除此之外，我們將測(cè)得閥產(chǎn)生的聲壓級(jí)。對(duì)設(shè)備而言，CIP有下述幾點(diǎn)顯著的效用，包括：產(chǎn)品質(zhì)量的提升、貨架壽命的延長(zhǎng)、勞動(dòng)力消耗的降低和生產(chǎn)能力的提高。在上世紀(jì)中葉，人們發(fā)現(xiàn)流速是CIP設(shè)計(jì)中的影響因素，并已確定相當(dāng)于系統(tǒng)最大管徑中五英尺每秒的最小流量是完成徹底清潔的必要條件(Gallot-Lavallee,Lalande&Corrieu, 1984; Jennings, McKillop& Luick, 1957)。隨后的研究顯示，壁面切應(yīng)力和湍流是影響有效清潔的重要參數(shù)(Sieberling,1997)。一些歐洲的研究者試圖通過(guò)量化實(shí)際清洗食品加工設(shè)備所需壁面切應(yīng)力的方法，加入到這一早期的研究課題中。然而，檢測(cè)工藝設(shè)備原型的CIP性能既耗時(shí)又耗財(cái)，這鼓勵(lì)了研究人員在裝備設(shè)計(jì)中運(yùn)用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的CFD模型，并使的制造商節(jié)省了更多的資源。一些研究員(Bergman & Trngardh,1990 ;Lelievre et al.,2002; Tucker & Hall,1998)應(yīng)用CFD來(lái)定性地評(píng)估CIP設(shè)計(jì)并得出設(shè)備組件的衛(wèi)生設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。其中，Lelievre et al(2002)的成果令人非常感興趣，因?yàn)樗婕傲吮诿媲袘?yīng)力和湍流上流體導(dǎo)體的形狀效果，并發(fā)現(xiàn)閥內(nèi)壁面切應(yīng)力的波動(dòng)是十分重要的。在測(cè)得的應(yīng)力下一些形狀產(chǎn)生大的波動(dòng)，與切應(yīng)力較高而波動(dòng)率較低的區(qū)域相比，它們的清潔性更好。我們通過(guò)對(duì)涉及切應(yīng)力的實(shí)際測(cè)量，證實(shí)了上述結(jié)論，并顯示波動(dòng)率高且壁面切應(yīng)力低至0.15Pa時(shí)的表面是可清潔的。Friis和Jensen (2002)所做的實(shí)驗(yàn)也證明了在未達(dá)到臨界壁面切應(yīng)力且?guī)缀涡螤顝?fù)雜的區(qū)域，清潔不會(huì)行之有效的可能性。Jensen和Friis(2005, 2004)用CFD預(yù)測(cè)了符合歐洲衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)指引（EHEDG）等級(jí)要求的清洗組件的臨界壁面剪應(yīng)力。他們建議的3Pa臨界壁面切應(yīng)力已經(jīng)為后人的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。其他關(guān)于CFD閥設(shè)計(jì)的成果(Davis&Stewart, 2002; Stevenson & Chen, 1997)也可以在相關(guān)文獻(xiàn)中查得。然而，像Jensen、Friis、Benezech、Lengentilhomme和Lelievre(2005)的大多數(shù)研究成果是基于簡(jiǎn)單的二維模型的，這對(duì)預(yù)測(cè)壁面切應(yīng)力波動(dòng)這個(gè)研究閥CIP性能的重要參數(shù)而言是不夠的。因此，我們需要一套完備的三維分析。 湍流強(qiáng)度低的區(qū)域的壁面切應(yīng)力有著重要的研究?jī)r(jià)值，因?yàn)橥牧鲝?qiáng)度降低，閥的清理能力也隨之降低。如果能根據(jù)Lelievre等人的研究結(jié)果審慎地評(píng)估湍流強(qiáng)度，有價(jià)值的原位清洗能力就能被獲取。所以，在這項(xiàng)研究中，用于葡萄酒灌裝閥設(shè)計(jì)的全尺寸三維模型已被用來(lái)檢測(cè)流速、壁面切應(yīng)力和空化，以評(píng)估諸如CIP、灌裝率等關(guān)鍵操作參數(shù)。在澳大利亞，大多數(shù)這樣的閥都被用來(lái)包裝葡萄酒等在20°C與水具有相似物理性質(zhì)的液體。在20°C時(shí)，這些葡萄酒的粘度和具體比重分別是1.002 mNs/m2和0.991，和水十分接近。因此，我們把水作為閥重要參數(shù)檢測(cè)時(shí)的工作液體。這項(xiàng)研究取得的結(jié)論能夠證實(shí)，CFD分析可以作為產(chǎn)品灌裝閥設(shè)計(jì)的有效輔助，并能為以后的發(fā)展提夠有效指引。 2. 產(chǎn)品閥的描述和建模 產(chǎn)品閥是灌裝機(jī)械和包裝物之間的連接部分，它用于產(chǎn)品的分送，在全世界的釀酒廠、乳品廠、工業(yè)產(chǎn)品工廠的灌裝機(jī)械上有多種應(yīng)用。Scholle公司生產(chǎn)的產(chǎn)品閥已被廣泛應(yīng)用于釀酒廠，如圖1所示。建模員用Gambit軟件和該產(chǎn)品閥的工程圖尺寸，建立一個(gè)閥內(nèi)流體流域的計(jì)算機(jī)模型，并用FLUENY6.0進(jìn)行分析。圖2顯示了標(biāo)準(zhǔn)閥上用于計(jì)算的計(jì)算機(jī)網(wǎng)格。該模型通過(guò)一系列從粗糙到精細(xì)的網(wǎng)格試驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格獨(dú)立。最終的幾何體包含了45,029塊四面體混合單元。 有關(guān)該閥應(yīng)用的全面研究表明，它已廣泛應(yīng)用于與水性能類似的飲料灌裝中。在澳大利亞，該閥普遍用于釀酒業(yè)。正如前面所說(shuō)，該設(shè)備的用戶——一家釀酒廠的報(bào)告說(shuō)，20°C時(shí)，他們生產(chǎn)的葡萄酒的粘度和具體比重分別是1.002 mN s/m2和0.991，和水十分接近。由此而知，我們可以設(shè)置一些基本參數(shù)用于計(jì)算機(jī)模型中。他們是：水在20°C下的所有流動(dòng)特性、符合ISO標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境、101,325kPa的大氣壓以及閥入口處200kPa的液體供應(yīng)壓力。 圖1. 產(chǎn)品灌裝閥示意圖 圖2. 計(jì)算網(wǎng)格 標(biāo)準(zhǔn)雷諾平均納維-斯托克斯兩方程k－ε湍流度被用于該模型中。標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型自從被Launder and Spalding（1972）提出以來(lái)，已經(jīng)成為工程實(shí)際流量計(jì)算的主要方法。湍流度動(dòng)能方程、k及其耗散率、ε可從下面的運(yùn)輸方程中求得： 其中表示平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能的產(chǎn)生 表示浮力引起的湍流動(dòng)能的產(chǎn)生 表示可壓縮湍流中波動(dòng)擴(kuò)張對(duì)整體耗散率的貢獻(xiàn)值 為常數(shù) 分別為k和ε的湍流普蘭特爾數(shù) ，是用戶自定義的源項(xiàng) 對(duì)范圍廣泛的湍流來(lái)說(shuō)，因其穩(wěn)健性、經(jīng)濟(jì)性和適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確性，它在工業(yè)流量和傳熱仿真（Fluent manual, version 6.0）中普遍得到應(yīng)用。在壓力梯度和雷諾數(shù)較高的情況下，結(jié)果可能不太準(zhǔn)確。然而，正如Jensen 和Friis（2004）以及Stevenson和Chen（1997）在研究中所觀察到的，在不具備高壓降和高雷諾數(shù)的流動(dòng)區(qū)域內(nèi)，我們可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)產(chǎn)品灌裝閥內(nèi)湍流的變化。在這項(xiàng)研究中，k的湍流普蘭特爾數(shù)被設(shè)為1.0，ε的湍流普蘭特爾數(shù)被設(shè)為1.3。分別設(shè)定為1.44和1.92。 我們可以運(yùn)用商業(yè)CFD軟件Fluent6.0完成仿真。以流動(dòng)區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，將它分割成一個(gè)個(gè)小的控制體積，以每個(gè)這樣的小控制體積為例，可列出以下恒等方程： 對(duì)連續(xù)性： 其中是研究對(duì)象的平均速度 m代表空化或用戶自定義的源項(xiàng)引起的質(zhì)量傳遞 對(duì)動(dòng)量： 其中n是相位數(shù) F是體積力 · 是混合物的粘度 · ，是相位k的體積分?jǐn)?shù) 穩(wěn)態(tài)仿真可以用SIMPLEC算法（壓力—粘度耦合）進(jìn)行分析，二階迎風(fēng)差可被用在動(dòng)量、湍流動(dòng)能和湍流耗散率方程中。用Fluent軟件求得的完整空化模型，可用于此項(xiàng)研究，它能分析相轉(zhuǎn)移、氣泡動(dòng)力性、湍流壓波動(dòng)和不可凝結(jié)氣體等所有一階效應(yīng)。進(jìn)行完整穩(wěn)態(tài)仿真時(shí)，收斂準(zhǔn)則被設(shè)置為10?，收斂在1500次迭代之內(nèi)。 在此次仿真中，壓力邊界條件同時(shí)適于閥的入口和出口。入口壓力設(shè)為2 bar，出口壓力設(shè)為大氣壓（101,325Pa）。所有的固體阻隔被描述為壁面，并假設(shè)流體為穩(wěn)態(tài)下的牛頓不可壓縮流體。Fluent軟件關(guān)于當(dāng)前幾何結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果如本文所述。分析中令人感興趣的是近壁區(qū)速度、湍流強(qiáng)度的等高線圖以及閥的壁面切應(yīng)力耗散。這些參數(shù)的等高線在所選的閥內(nèi)部和外壁視平面上，有助于我們更好地了解復(fù)雜區(qū)域CIP性能的細(xì)節(jié)。 3. 結(jié)果與討論 圖3顯示了產(chǎn)品灌裝閥入口和出口處流體速度的等高線圖。流體通過(guò)入口視平面時(shí)的速度顯示了一致的速度分配，并與管道流動(dòng)的環(huán)心性質(zhì)吻合，速度從管壁處的0上升到中心的最大速度9m/s。然而，出口處的速度等高線由于其不對(duì)稱性，更值得研究。與通常的直管流體不同，它產(chǎn)生最高速度的位置與中心有所偏移，觀測(cè)到的出口處最高速度為17m/s。這種速度分配的不可預(yù)測(cè)性與閥內(nèi)形狀有關(guān)。為克服這些問(wèn)題，我們可以考慮采取一些措施，比如：抬高入口閥桿、使閥體形狀更接近圓形或者改變?nèi)肟诠艿慕尤虢嵌纫员苊?0°彎曲。 圖3. 產(chǎn)品充填閥入口、出口處的流體速度 研究中，作為試驗(yàn)，我們修改閥的幾何結(jié)構(gòu)，將閥桿提升10mm以檢測(cè)形狀的改變對(duì)閥性能的影響。為便于比較，采用與前期研究類似的入口邊界條件和其他流體流動(dòng)參數(shù)（速度、密度等）。如圖4所示，此次分析的結(jié)果證實(shí)了速度分配方面的重要提升。 對(duì)于原閥桿位置，如圖5中平面速度分布圖顯示，穿過(guò)閥的速度等高線集中在完全敞開(kāi)頭寸。經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，流體的質(zhì)量流率已經(jīng)可以達(dá)到大約5.1kg/s，十分接近制造商的額定產(chǎn)品充填率5.0kg/s，且已通過(guò)此模型的驗(yàn)證。然而，此結(jié)果也顯示出一些使閥效率降低的隱患。例如，在流體轉(zhuǎn)過(guò)60°的1處（如圖5），流體的速度急劇增加。此區(qū)域的高速流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致壓降，并足以引發(fā)流體的空化，而空化是產(chǎn)生出口處逆向流的主要原因。如圖6所示，導(dǎo)致灌裝效率的損失。 此外，大多數(shù)近壁區(qū)流速很低，并伴隨有較低的湍流強(qiáng)度，這無(wú)疑會(huì)降低閥的CIP性能。基于當(dāng)前幾何結(jié)構(gòu)的研究，將閥桿提升10mm能明顯改善速度分配和灌裝率。應(yīng)用此改進(jìn)將使閥的灌裝率提高7.3%。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)將會(huì)成為日后致力于提升灌裝速度和CIP性能的產(chǎn)品閥改進(jìn)研究的基礎(chǔ)。 圖4.原標(biāo)準(zhǔn)與升高10mm后出口處速度等高線的比較 圖5.沿產(chǎn)品閥中平面的速度分配 圖6. 由閥出口處速度矢量表征的逆向流區(qū)域 因?yàn)樽銐虻谋诿媲袘?yīng)力可以清除污垢，因此壁面切應(yīng)力圖與CIP性能一樣有用（Bergman & Trngardh，1990）。壁面切應(yīng)力取決于速度，所以理論上只要有足夠的壓力和速度，幾乎所有的形狀都可以清潔。然而在現(xiàn)實(shí)中，由于管道系統(tǒng)和貼合壓力規(guī)定值、泵和控制器尺寸、設(shè)備的體積和價(jià)格、操作者安全等實(shí)際因素的影響，CIP壓力應(yīng)盡量小些。早期的研究結(jié)果顯示，在大多數(shù)環(huán)境下過(guò)低的壁面切應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致不良的低CIP性。原始閥設(shè)計(jì)的壁面切應(yīng)力分布如圖7所示。從圖7中我們可以觀察到，大量的閥內(nèi)壁受到很小的壁面切應(yīng)力（＜90kPa），可能無(wú)法滿足清潔的要求，導(dǎo)致CIP性能低下。然而，正如本文提到的，即使低于100kpa，切應(yīng)力的充足波動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生良好的清潔效果。所以，在閥清潔性能的評(píng)估中，檢測(cè)低切應(yīng)力區(qū)域的切應(yīng)力波動(dòng)是十分重要的。 如前文所述，我們可以將湍流強(qiáng)度作為壁面切應(yīng)力波動(dòng)的參照。所以相同操作環(huán)境下的湍流強(qiáng)度圖對(duì)分析壁面切應(yīng)力十分重要。閥內(nèi)壁面的湍流強(qiáng)度等高線圖如圖8所示。如果參照J(rèn)ensen et al（2005）提出的關(guān)系式，湍流強(qiáng)度中15%的波動(dòng)就相當(dāng)于大概10%的壁面切應(yīng)力波動(dòng)。Lelievre et al（2002）指導(dǎo)的試驗(yàn)中指出，10%的波動(dòng)不足以顯著提升清潔能力。以該研究為指導(dǎo)，圖8中的深藍(lán)色區(qū)域因?yàn)榕c壁面切應(yīng)力極低的區(qū)域一致而很難進(jìn)行原位清潔的結(jié)論是經(jīng)不起推敲的。運(yùn)用前面章節(jié)中建議的替換性設(shè)計(jì)，可能產(chǎn)生更好的液體流通進(jìn)而在閥體內(nèi)產(chǎn)生更大的湍流強(qiáng)度，從而提高CIP性能。 圖8. 閥壁的湍流強(qiáng)度分布（%） 近年來(lái)，產(chǎn)品在途徑閥的過(guò)程中進(jìn)行處理的方法已經(jīng)在終端用戶中收效顯著。在改進(jìn)后的環(huán)境下，諸如口味、香味等產(chǎn)品的細(xì)節(jié)特性將會(huì)改變，尤其對(duì)那些氣溶性產(chǎn)品而言，因此我們需要進(jìn)一步探討。高流速和不利的壓降會(huì)對(duì)產(chǎn)品的特性產(chǎn)生消極的影響。如果壓力低至灌裝液體的蒸汽壓，蒸發(fā)的液體會(huì)占據(jù)部分流體的位置，從而導(dǎo)致空化。除此之外，因?yàn)閴毫^低，已溶解的氣體開(kāi)始從溶液中跑出，降低了產(chǎn)品的質(zhì)量和灌裝效率。圖9顯示了原始閥設(shè)計(jì)中兩平面的靜壓力分布：第一個(gè)是閥的對(duì)稱中心面，第二個(gè)距離出口7.5mm且平行于出口的投影面。該圖清楚地展示了各區(qū)域的壓降及其范圍。流體中壓力最低的區(qū)域可被預(yù)測(cè)出，預(yù)測(cè)的壓力遠(yuǎn)低于水蒸氣的壓力。因?yàn)閴毫档停赡茉诔兀?0°C）下蒸發(fā)，導(dǎo)致空化和氣泡的形成。在制造商的實(shí)驗(yàn)研究中也提及了形成氣泡的相似情景。為獲取觀看閥運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的清晰視野，我們安裝了視鏡以觀察運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)氣泡的形成。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)消除低壓區(qū)域，可以在維持產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)提高閥的效率。 圖9. 平面1、2的靜壓力分布 柱形圖顯示，在模型中組成流動(dòng)路徑的45,029塊單元中，只有大約2.6%的單元低于周圍大氣壓。這些單元中大多數(shù)的壓力降低了100kPa甚至更少，但少部分單元的壓力降至極低。壓力柱形圖如圖10所示，顯示了低壓?jiǎn)卧姆植记闆r。 因?yàn)榭栈Q于液體的蒸汽壓力（Miller，1990），所以在水的情況下，圖中僅有左側(cè)的少部分單元值得考慮。如果是葡萄酒或乙醇等蒸汽壓高于水的混合物，需考慮更多的單元。能溶于液體的空氣和二氧化碳等因素可能更為重要，因?yàn)樗鼈兛梢栽跀U(kuò)散中形成氣泡，限制流體的流動(dòng)，導(dǎo)致灌裝速度低下。 圖10. 低壓?jiǎn)卧姆植? 4. 結(jié)論 對(duì)于釀酒業(yè)中灌裝袋包裝的產(chǎn)品灌裝閥，CFD研究顯示，流態(tài)中的一些區(qū)域可被改進(jìn)以提高閥的性能和產(chǎn)品質(zhì)量。當(dāng)前設(shè)計(jì)表明，在流體流經(jīng)60°彎角處的空化現(xiàn)象是引起回流和灌裝效率損失的主要原因。因此，在灌裝機(jī)械中，CFD關(guān)于該類型流動(dòng)的分析是行之有效的。然而，我們還應(yīng)推進(jìn)更多關(guān)于可供選擇設(shè)計(jì)的研究，以確保閥運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中無(wú)空化現(xiàn)象。此外，CFD分析還能識(shí)別那些湍流強(qiáng)度極低的區(qū)域，并反過(guò)來(lái)表征該閥的低CIP性能。最后我們?cè)俅螐?qiáng)調(diào)，借由CFD分析的幫助，本閥的可供選擇性設(shè)計(jì)可達(dá)到消除空化、提升CIP性能的效果，并帶來(lái)諸如優(yōu)化產(chǎn)品加工、提高充填效率、減少勞動(dòng)力消耗等明顯效益。