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1、 中北大学2007级包装机械设计课程设计 1 绪论1.1灌装定义灌装是指将液体（或半流体）灌入容器内的操作，容器可以是玻璃瓶、塑料瓶、金属罐及塑料软管、塑料袋等。影响液体食品灌装的主要因素是粘度，其次为是否含有气体、起泡性、微小固体物含量等。因此，在选用灌装方法和灌装设备时，首先要考虑液体的黏度。液体按其粘度分为三类：流体：指靠重力在管道内按一定速度自由流动，粘度为0.0010.1Pa.s的液料。如牛奶、饮料、酒等。半流体：除靠重力外，还需加上外压才能在管道内流动，粘度为0. 110Pa.s的液料。如炼乳、蜂蜜、番茄酱等。粘滞流体：靠自重不能流动，必须靠外压才能流动，粘度在10Pa.s以上的物
2、料。如调味酱、果酱等。1.2基本灌装方法1) 常压灌装在常压下，直接依靠灌装液料的自重流进包装容器内。主要用灌装低粘度的不含气液料。如牛奶、白酒、酱油、醋。使用的设备构造简单、操作方便、易于保养，至今仍被广泛使用。灌装过程：液体从贮液槽1流经灌装阀4进入容器。灌装时升降机构将容器向上托起（或将灌装管向下降），容器口部和灌装阀下部的密封盖5接触并将容器密封，然后 使容器再上升顶开而开启灌装阀，液体靠重力自由流入容器中，即停止流动，液位达到规定高度完成灌装后，升降机构将容器下降，灌装阀失去压力并由弹簧自动关闭。容器内的空气经设在灌装管端部的空气出口2通到贮液槽液面上部的排气管3排出。 图1.1常压
3、灌装2) 真空灌装在低于大气压的条件下进行灌装，适用于灌装粘度稍大的液料，如油类、糖浆等。又适于灌装含维生素的饮料，如蔬菜汁、果汁等； 重力真空灌装在低于大气压的条件下进行灌装，适用于灌装粘度稍大的液料，如油类、糖浆等。又适于灌装含维生素的饮料，如蔬菜汁、果汁等。灌装过程：位于顶部的贮液槽是封闭，供液管1从槽顶介入并浸没在液体下部，由浮子2控制液面，其上部空间保持低真空，当容器输送到灌装阀4下方时，升降机构将它托起，与密封盖5吻合，将容器密封，继续上升将阀开启。由于容器经阀中的排气管3与贮液槽上部簿册形成低真空，因而液体经阀中的套管靠重力灌入容器内。与重力灌装一样，当排气口被上升的液体封闭时，
4、容器中的液面就不再上升。灌装完毕，容器下降，灌装阀由弹簧自动关闭。图1.2重力真空灌装 真空压差灌装适用于易氧化变质的液体食品，如富含维生素等营养成分的果蔬汁产品的灌装。即贮液箱内处于常压，只对包装容器抽真空，料液依靠贮液箱与待灌装容器间压差作用产生作用产生流动而完成灌装。供液管1由供液阀2控制，液位由浮子3保持。另设有真空泵7和真空室6以建立真空。溢流至真空室的液体由供液泵5送回贮液槽。应用此法灌装时，瓶子上升或灌装阀下降，将瓶口密封，并在瓶内建立高真空（860-930Pa），然后开启灌装阀10。阀中套管内有真空管与真空室相连。当封住瓶口并开启后，真空口也同时开启，瓶内变为真空。液体靠压力差
5、从贮液槽流入瓶内。当液体上升到灌装阀中真空管口中时即停止流动，液位保持不变，如果瓶子不离开瓶口，液体会继续缓慢地流出，因为抽真空时会将液体从瓶内吸出，形成溢流和回流。图1.3真空压差灌装3） 等压灌装在高于大气压的条件下，首先对包装容器充气，使之形成与贮液箱箱等的气压，然后依靠被灌装液料的自重流进包装容器内。常用于灌装含气饮料、啤酒等的灌装。等压灌装过程：回转台上方的贮液槽是密封的，其液面由浮子1控制，液面以上空间充有压缩空气或CO2,以保持一定压力（灌装啤酒时要求用CO2, ，以避免啤酒与氧气接触）。液体经下部的供液口2进入。灌装阀4装在贮液槽内，其中部设有的排气管顶端伸出液面，下端为排气口
6、7和泄压口5.当容器上升至灌装阀口时，先由密封盖3将容器封闭，然后压缩弹簧，顶开灌装阀，开始灌装；同时，机械弹簧打开排气管顶部的充气阀6，使容器的压力与贮液槽上部的压力相等，通常称为“建立背压”。当液体上升到排气管口时，液位不再变化。采用等压灌装时，在灌装过程中可以改变排气速度，借以改变灌装速度。当液体灌装到规定液位时，容器顶部的空气具有一定的压力，为排除这种压力，在阀门中装一个机械泄压口，使容器顶部与大气压力相同，保证当容器下降失去密封时，液体不至喷出。 图1.4等压灌装法4） 机械压力灌装利用机械压力如液泵、活塞泵或气压将灌装液料挤入包装容器内。主要用于灌装粘性较大的稠性液料，如果酱、奶油
7、等机械压力灌装过程：贮液槽经供液阀2与供液槽1连接，液面由浮子4控制。灌装阀5与贮液槽8分开放置，供液泵7将液体送入灌装阀，容器与阀连接处靠密封盖6密封后，灌装阀开启进行灌装，同时容器内的空气由溢流管3排至贮液槽，当容器内液面达到溢流管口处时，液体开始 经溢流管流回贮液槽，液面不再变动。溢流管口与容器顶部的相对位置决定了灌装液面的高度，只要保持灌装阀与容器的密封，液体就会连续不断地通过溢流管流出，当容器不再密封时会关闭灌装阀和溢流口。图1.5机械压力灌装2 设计内容和要求1) 设计自吸泵，及与之关零件；2) 灌装量能进行调节；3) 常压灌装能满足灌装的工艺要求；4) 储液箱内液面距灌装阀出口约
8、； 5) 灌装时间为7秒；6) 灌装的容器为7) 灌装零件材料选择、安装等。3 总体设计进液料由贮液槽经泵、输液管道送到贮液箱中的装置称为液料供送系统，即灌装机的供液装置，它包括贮液槽、泵、管道、阀门、贮液箱及高度调节装置，液位控制器等。由此可分析知灌装机的供液装置设计主要设计以下几点：泵的设计、输液管的设计、阀门的设计、贮液箱高度调节装置的设计、贮液箱液位定量装置的设计。结合设计任务中要求常压灌装能满足灌装的工艺要求，故首选常压灌装机运用常压法灌装。下面结合常压灌装法的灌装特点来完成设计方案。 常压法灌装是在大气压力下，依靠液体的自重自动流进包装容器内，其整个灌装系统处于敞开状态下进行，其中
9、，利用液面控制灌装的常压灌装法的工作过程为： 液并排气 液料灌入容器内，同时将容器内的空气自排气管排出； 到达定量停止进液 容器内的液料达到定量要求后，自动停止灌装； 排除余液 将进入排气管内的残液排除，为下一次灌装进液排气做好备。压法灌装主要用于黏度不大、不含二氧化碳、不散发不良气味的液体产品的灌装，如酱油、牛奶、白酒、醋、果汁等。本方案设计采用白酒为灌装物进行供液装置设计。3.1泵的设计由液料供送系统各部件的作用来看，泵的作用是将贮液槽中的灌装物经泵的加压由输液管送到贮液箱中进行灌装。普通离心泵，若吸入液面在叶轮之下，启动时应预先灌水，很不方便。为了在泵内存水， 吸入管进口需要装底阀，泵工
10、作时，底阀造成很大的水力损失。所谓自吸泵，就是在启动前不需灌水（安装后第一次启动仍然需灌水），经过短时间运转，靠泵本身的作用，即可以把水吸上来，投入正常工作。在此选用自吸泵。下边简述一下外混式自吸泵的工作原理。外混式自吸泵的工作原理是：泵启动前先在泵壳内灌满水（或泵壳内自身存有水）。启动后叶轮高速旋转使叶轮槽道中的水流向涡壳，这时入口形成真空，使进水逆止门打开，吸入管内的空气进入泵内，并经叶轮槽道到达外缘。另一方面，被叶轮排到气水分离室中的水又经左右回水孔流回到叶轮外缘。左回水孔流回的水在在压力差和重力的作用下，射向叶轮槽道内，并被叶轮击碎，与吸入管路来的空气混合后，甩向蜗壳，向旋转方向流动。
11、然后与右回水孔流来的水汇合，顺着蜗壳流动。由于液体在蜗壳内不断冲击叶栅，不断被叶轮击碎，就同空气强烈搅拌混合，生成气水混合物，并不断地流动致使气水不能分离。混合物在蜗壳出口被隔舌剥离，沿短管进入分离室。在分离室内空气被分离出来，由出口管排掉，而水仍经左右回水孔流向叶轮外缘，并与吸入管空气相混合。如此反复循环，逐渐将吸入管路中的空气排尽，使水进入泵内，完成自吸过程。自吸泵的自吸高度，与叶轮前密封间隙、泵的转数、分离室液面高度等因素有关。叶轮前密封间隙越小，自吸高度越大，一般取为0.3-0.5mm；在间隙增大时，除自吸高度下降外，泵的扬程、效率均降低。泵的自吸高度随叶轮的圆周速度u2的增大而增大，
12、但到最大自吸高度时，转数增加而自吸高度就不再增加了，此时只是缩短自吸时间；当转数下降时，自吸高度则随着下降。在其它条件不变的情况下，自吸高度还随着储水高度的增加而增加（但也不能超过分离室的最佳储水高度）。为了在自吸泵中更好地使气水混合，叶轮的叶片须少些，使叶栅的节距增大；并宜采用半开式叶轮（或叶轮槽道较宽的叶轮），这样更方便于回水深入地射进叶轮叶栅中。在此主要通过计算输液管的管口尺寸来确定泵的功率及其他相关参数。3.2输液管的设计从储液槽到灌装机储液箱的输液管路一般均用圆管，设计时首先要合理选择他的内径和壁厚，圆管的管径可根据任务书中相关数据利用体积流量公式、流速公式及柏努利方程式计算。圆管的
13、壁厚一般根据它的面耐压和耐腐蚀等条件，按标准规格选定。在流量保持定值的条件下，虽然提高流速会使管径和设备投资费用都相应减少，但往往要增加输送液料所需的动力和操作费用。根据任务书中的数要求算出管径后，参照现有圆管规格圆整至标准值。这样，输液圆管的内径及壁厚可确定，并由其可确定泵的入口及出口直径。3.3自吸泵阀门的设计“阀”的定义是在流体系统中，用来控制流体的方向、压力、流量的装置。阀门是使配管和设备内的介质（液体、气体、粉末）流动或停止、并能控制其流量的装置。阀门分类方法很多，但主要是按其在管路中所起的作用进行分类。工业和民用工程中的通用阀门可分成11类，即闸阀、截止阀、旋塞阀、球阀、蝶阀、 隔
14、 膜阀、止回阀、节流阀、安全阀、减压阀和疏水阀。在自吸泵中的止回阀，又称单向阀或逆止阀，其作用为容许流体朝一方向自由流动，而限制其反流动，当流体通过系统时的压力，把阀门开启，任何流体的反向，会把阀门关闭。阀的公称直径，与流道之直径不一定一致，其选择之大小，由输送流体之条件算出后圆整按国家标准求取。3.4贮液箱高度调节装置的设计常用的调节贮液箱与装有托平台的下转盘（工作台）之间距离的装置有中央调节式和三支柱调节式两种形式。中央调节式有无导向机构和有导向机构两种，在此可选用有导向机构调节装置，该机构调节方便，贮液箱稳定性好，因采用手工调节，故适用于小型灌装机。3.5贮液箱液位定量装置的设计目前，常
15、用的液料定量法是控制液位定量法，因液料的性质不同，所选的定量法和定量机构也不相同，主要有以下四种：控制液位定量法，定量杯定量法，定量泵定量法，电子式定量法。在此选用常用的定量杯定量法，这种方法是先将液料灌入定量杯内，然后在将定量杯内的液料注入灌装容器内。要改变灌装量时，只需调节定量调节管在定量杯内的高度，或者更换定量杯。定量精度较高，适用于灌装不含气液体。4 尺寸计算采用常压法灌装,灌装物为白酒，灌装容器的容积为350ml，灌装时间为7秒；已知:白酒的密度为p=0.933*kg/，罐装容器为350ml，则体积流量V=350ml/7s=50 ml/s=50*10-6 m3/s 。查表4-1可选出流速u 。流体及其流动类别 流速范围/（m/s）流体及其流动类别 流速范围/（m/s）自来水（3105Pa）11.5 高压空气1525 水及低粘度液体（1105Pa1106Pa）1.53.0 一般气体（常压）1020 真空操作下气体流速50高粘度液体 0.51.0 鼓风机吸入管 1020 工业供水（8105Pa以下）1.53.0 鼓风机排出管1520 锅炉供水（8105Pa以下）3.0 离心
