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1、灌裝機(jī)械4.4 灌裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)灌裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)六、灌裝裝置基本參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算六、灌裝裝置基本參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算 （一）灌裝機(jī)的工藝計(jì)算（一）灌裝機(jī)的工藝計(jì)算 （二）閥端孔口流量的計(jì)算（二）閥端孔口流量的計(jì)算 （三）灌裝時(shí)間的計(jì)算（三）灌裝時(shí)間的計(jì)算 （四）充氣和抽氣時(shí)間的計(jì)算（四）充氣和抽氣時(shí)間的計(jì)算 ( (五五) ) 生產(chǎn)能力的計(jì)算生產(chǎn)能力的計(jì)算七、七、灌裝機(jī)械d24dAAVu VuVd4灌裝機(jī)械VWG Qmax3600Qmax灌裝機(jī)械灌裝機(jī)械221122112222efPuPuZHZhggggPgug22hfhfhj ,一般可先假定1,最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果可再灌裝機(jī)械l有一臺(tái)等壓法灌裝機(jī)，其最大生產(chǎn)能力
2、Qmax=15000 pcs/h，每瓶的液料質(zhì)量G = 0.5kg/pc。液料密度=0.996103kg/m3,黏度=0.89410-3Pa.s,儲(chǔ)液箱內(nèi)的氣體表壓強(qiáng)P2=98.0665kPa，輸液管采用無縫鋼管38mm4mm，截面積A=707mm2，總長(zhǎng)L=20m，管路上需安裝2到3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)彎頭，2個(gè)球心閥，為了保證灌裝機(jī)正常工作，確定：1）若采用高位槽供料（雙點(diǎn)劃線），該槽對(duì)儲(chǔ)液箱進(jìn)液管出口截面的安裝高度；2）若采用輸液泵供料（實(shí)線），而且儲(chǔ)液池液面低于儲(chǔ)液箱進(jìn)液管出口截面Z2=3m，該泵所需的軸功率（效率=0.7）灌裝機(jī)械解：1）求高位槽的安裝高度Z1 設(shè)高位槽的自由液面為1-1，儲(chǔ)液箱進(jìn)
3、液管出口為2-2，可列出相應(yīng)的伯努利方程式2211221222fPuPuZZhgggg高位槽液面與大氣接觸，按表壓計(jì)算，P1=0，故10Pg高位槽液面較大，流速u1甚小，可忽略不計(jì)，故2102ug取截面2-2為計(jì)算基準(zhǔn)，故20Z 再根據(jù)已知條件，依次求得：32398.0665 1010.04( )0.996 109.80665Pmgmax2360.5 150002.96(/ )36003600 0.996 10707 10GQum sA灌裝機(jī)械2222.960.45( )22 9.80665umg為求管子損失壓頭h，需先算出雷諾準(zhǔn)數(shù)342e30.038 2.96 0.996 10R9.9 10
4、0.894 10du由于Re2320，可知液料在管內(nèi)是紊流的，流動(dòng)修正系數(shù)可取=1.另外，取管的絕對(duì)粗糙度=0.2，查表得摩擦系數(shù)=0.035，則直管阻力損失壓頭2200.0350.4510.5( )20.038fL uhmdg灌裝機(jī)械又查表得標(biāo)準(zhǔn)彎頭阻力系數(shù) 1=0.75，球心閥全開時(shí)阻力系數(shù)4=1.若各安裝兩個(gè)彎頭和球心閥，則局部阻力損失壓頭2211234(22)(2 0.752 6.40.5 1) 0.457.1( )2uhmg 110.57.117.6( )fhhhm代入相關(guān)值得：222110.040.45 17.628.1( )2fPuZhmgg可見，本例中所需高位槽的液位太高，不便
5、應(yīng)用。灌裝機(jī)械2）求輸出泵所需的軸功率N 設(shè)儲(chǔ)液池的自由液面為1-1，儲(chǔ)液箱仍為2-2取z1=0，z2=3m代入有關(guān)值，可得泵壓頭則輸液泵所需的軸功率管路上多了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)彎頭，故損失壓頭22117.60.75 0.4518.0( )2uhhmg222223 10.040.45 1831.5( )2ePuHZhmggmax31.5 0.5 150000.92()36003600 0.7eeH WH GQNkW灌裝機(jī)械00VA u灌裝機(jī)械（二）（二） 液料流量的計(jì)算液料流量的計(jì)算 經(jīng)過灌裝閥孔口出流的液料體積流量為： (4-1)式中: 孔中截面上液料的流速; 孔口中液道口的截面積。 液料流速 可以由
6、孔口截面及貯液箱(或定量杯)中自由液面間列柏努利方程式求得。 (4-2)VuA00u0A0u0式中: 為灌裝時(shí)貯液箱自由液面的液料流速根據(jù)液體流動(dòng)的連續(xù)性方程式,可將 折算成 ,而阻力損失h也可寫成用 表達(dá)的一般形式,則上式可改寫成為：u0u1u0u02211001022fPuPuZZhgggg灌裝機(jī)械 (4-3)(4-4)式中: 貯液箱(或定量杯)自由液面的面積; 貯液箱(或定量杯)自由溢面的速度折算系數(shù),對(duì)于貯液箱情況,因自由面積較大故可取 ; 從由自液面至灌裝嘴口截面之間，因通流截面積不同各段流道的速度折數(shù)系數(shù); 各段直管阻力系數(shù)之和; 各種局部阻力系數(shù)之和。ZPA uAgZPugkLd
7、kug110012000202222 (/)()()()121021010 kLdkkugzzPPkAA1012 ()kAA ()02kLdkA1k10灌裝機(jī)械由此,可求得孔口截面上液料的流速為 (4-5) 因此,經(jīng)孔口出流的液料流量為: (4-6) 式中: C灌裝閥中液道的流量系數(shù); Y孔口截面上的有效壓頭(包括靜壓頭與位壓頭)。ukLdkkg zzPP011010112 ()()Vu AkLdkkAg zzPP 00101010112()()CAgzPCAgY0022() 由上式可見,液料體積流量主要是三個(gè)參數(shù)的函數(shù),這三個(gè)參數(shù)為：(1)液道流量系數(shù)C, (2)孔口截面積 , (3)孔口截
8、面上有效壓頭。A0灌裝機(jī)械(三三)灌裝時(shí)間的計(jì)算灌裝時(shí)間的計(jì)算 1. 灌裝的水利過程 根據(jù)水利學(xué)知識(shí),液料由貯液箱或定量杯經(jīng)過灌裝閥流入待灌瓶?jī)?nèi),這一過程應(yīng)該看成是液體的管嘴出流,按照定量方法和灌轉(zhuǎn)閥的嘴口伸入瓶?jī)?nèi)位置的不同,又可分成以下幾種情況:圖圖4.30 高度定量高度定量 圖圖4.31 高度定量高度定量 圖圖4.32 定量杯定量定量杯定量 圖圖4.33 定量杯定量定量杯定量 短管灌裝短管灌裝 長(zhǎng)管灌裝長(zhǎng)管灌裝 短管灌裝短管灌裝 長(zhǎng)管灌裝長(zhǎng)管灌裝灌裝機(jī)械l定量方法和灌裝閥管口伸至瓶?jī)?nèi)位置的不同對(duì)灌裝時(shí)間影響亦不同l控制液位定量的短管灌液過程l控制液位定量的長(zhǎng)管灌液過程l定量杯定量的短管灌液
9、過程l定量杯定量的長(zhǎng)管灌液過程灌裝機(jī)械1.控制液位定量的短管灌液過程若管口伸至瓶頸部分，儲(chǔ)液箱內(nèi)液位保持不變，儲(chǔ)液箱和待灌瓶?jī)?nèi)壓力也基本不變，則該灌裝過程屬于穩(wěn)定的管口自由出流，亦即液料體積流量V是常量。01122 ()PVCAgZPPPg設(shè)料瓶的定量灌液容積為V0（m3），則所需灌液時(shí)間0VtV可見，提高生產(chǎn)能力關(guān)鍵在于提高體積流量，為此，應(yīng)設(shè)法增加C、P、Z1和A0幾個(gè)參數(shù)。但是，增加C、P、Z1尚應(yīng)考慮液流過快，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的灌液過程；而增加A0也應(yīng)考慮瓶?jī)?nèi)液面超過回氣管口能及時(shí)達(dá)到定量的精度。灌裝機(jī)械2.控制液位定量的長(zhǎng)管灌液過程若管口接近瓶底，其灌液過程分兩步進(jìn)行：在液面尚未接觸管口之
10、前，屬于穩(wěn)定的管口自由出流，此灌液時(shí)間t1 參閱前面公式計(jì)算。而當(dāng)液面淹沒管口后，因作用在管口上部的靜壓頭隨著瓶?jī)?nèi)液位的逐漸上升而增強(qiáng)，屬于不穩(wěn)定的管口淹沒出流，即孔口的截面靜壓頭是液料體積充量V的函數(shù)。設(shè)瓶子內(nèi)腔截面積為Fb（m3），當(dāng)液料淹沒管口的高度為h時(shí)，可得瞬時(shí)t的體積流量近似計(jì)算式012 ()bF dhPVCAgZhdtg灌裝機(jī)械對(duì)于瓶的內(nèi)腔截面積：一般瓶體部分為截面積不變（令為Fb1）的圓柱體,而瓶頸部分的截面積（令為Fb2）隨瓶的高度而變化,因此,灌液時(shí)間也應(yīng)分兩部分來求積分從開始淹沒管咀孔口至瓶?jī)?nèi)灌滿定量液料為止所需灌液時(shí)間應(yīng)為:1220hhbbhF dhF dhtVV111
11、100121()22()nbiiiFPPVZZhggCAgCAgPZhg式中，h瓶體部分離開管口的最大高度； h-瓶頸部分灌裝定量液料后離開管口的最大高度； hi-將瓶頸部分分割成n段，對(duì)容積為Vi（=Fb2dh）的第i段液料離開管口的高度；12ttt灌裝機(jī)械3.定量杯定量的短管灌液過程若管口伸至瓶頸部分，隨著定量杯內(nèi)液位逐漸降低，液體流速也會(huì)相應(yīng)減慢，故此灌液過程應(yīng)屬于不穩(wěn)定的管嘴自由出流，即液料體積流量V是變量，它是孔口截面壓頭的函數(shù)。當(dāng)定量杯內(nèi)液料降至任意位置時(shí),流經(jīng)管嘴孔口的液料瞬時(shí)流量002 ()PF dzVCAgzgdt 式中: F0定量杯的截面積; dz定量杯液料高度的微小增量;
12、 dt對(duì)應(yīng)于增量F0dz的時(shí)間 式中負(fù)號(hào)表明定量杯內(nèi)液料高度是隨時(shí)間增長(zhǎng)而減少的灌裝機(jī)械式中：Z1從管嘴孔口至定量杯內(nèi)充滿液料時(shí)的高度; Z2 從管嘴孔口至定量杯內(nèi)流完液料時(shí)的高度。002()FdzdtPCAgzg 210012002()2()zzF dzFPPtzzggPC AgC Azg 將上式轉(zhuǎn)換為：定量杯內(nèi)液料全部注入瓶?jī)?nèi)所需灌液時(shí)間應(yīng)為:灌裝機(jī)械假如定量杯的截面積A0不是常數(shù)而是變數(shù),那么,可以由隨高度變化的函數(shù)關(guān)系A(chǔ)=A(z)代入積分式求得,也可以由圖解析法來解決:首先畫出定量杯的三視圖,然后沿定量杯高度方向用若干水平截面將其分割,計(jì)算出定量杯被分割的每個(gè)部分的容積 ,再近似取灌裝
13、每份容量時(shí)所對(duì)應(yīng)的孔口截面上的平均有效壓頭就為該部分不變的有效壓頭 ,則灌裝每份容量所需時(shí)間應(yīng)為: (4-11) 因此,可以求得流完定量杯內(nèi)液料所需的時(shí)間為: (4-12) 只要將定量杯分割的分?jǐn)?shù)取得足夠大,就可以使計(jì)算能獲得足夠的精確度。 nVVV21、YYYn12、121201020,222nnnVVVtttCAgYCAgYCAgY121012niniiVttttCAgY 灌裝機(jī)械4.定量杯定量的長(zhǎng)管灌液過程若管口接近瓶底，那么，此灌裝過程也可分兩步進(jìn)行計(jì)算：整個(gè)罐裝時(shí)間應(yīng)包括淹沒管嘴前、后兩部分時(shí)間的和。當(dāng)灌入瓶?jī)?nèi)液料尚未淹沒管口之前，屬于不穩(wěn)定的管口自由出流,其灌裝時(shí)間t1，其計(jì)算方法
14、前面己述；當(dāng)液料淹沒管口之后，屬于不穩(wěn)定的管嘴淹沒出流,即液料流量V是孔口截面上的位壓頭和靜壓頭的函數(shù),所需的灌液時(shí)間為t2。灌裝機(jī)械 當(dāng)液料在瓶?jī)?nèi)淹沒管嘴孔口高度h時(shí),相應(yīng)定量杯的液料高度為z,這時(shí)流經(jīng)管嘴孔口的瞬時(shí)流量為: 欲解上式,必須首先求出兩個(gè)變量h和z的關(guān)系。因 式中: F0定量杯和橫截面積; Fb瓶?jī)?nèi)腔的橫截面積。 兩邊積分解得: 1002 ()bPPF dhVCAg zhgdt0bF dzF dh0bFzhCF 灌裝機(jī)械積分常數(shù)C可由初始條件求得,當(dāng)液料剛剛淹沒管嘴口,即h=0時(shí),相應(yīng)定量杯內(nèi)液料高度為Z，故C = Z 又設(shè)定量杯內(nèi)充滿液料時(shí)液面距管口的距離為Z1,管嘴口離開瓶
15、底的距離為h2,由前式可求得在上述瞬時(shí)流量公式中,將變量Z用變量h轉(zhuǎn)換后可得: 同樣,要按瓶體部分及瓶頸部分兩段來積分,得到開始淹沒管嘴孔口至瓶?jī)?nèi)灌滿定量液料為止所需的灌裝時(shí)間為:120bFzzhF 002 ()bbPFF dhVCAghzhgFdt 灌裝機(jī)械12201200002 (1) 2 (1) hhbbhbbF dhF dhtPFPFCAgzhCAgzhgFgF1110001002(1) (1) 212(1)bbbniibiiFPPFzzhFggFCAgFVCAgPFzhgF 同理，每瓶所需的灌液時(shí)間：t = t1 + t2灌裝機(jī)械01 1kkbPVPV灌裝機(jī)械11()bggVVtW0
16、1 1kkbPVPV1011()KbPVVP1/1100()kPP灌裝機(jī)械221100101212tttKPuKPuKggKgg11001121()1KtKtKPPuKP灌裝機(jī)械01tPP110011211KKKgtgttgKWAuAPK 12()1KKrK 灌裝機(jī)械maxmaxminminmaxminmaxmin()rgrrgtgtgWW dW dW10maxmin111,PPPP灌裝機(jī)械011bPVVP10110(1)()bbgggPVVVPtWW灌裝機(jī)械2gWW jWW21()gWWWWj 真空度 （mmHg） 空氣滲漏量 （kg/h） 200375 125200 75125 2575
17、13.618.011.313.69.111.34.59.1 22.5 103600bWQV 灌裝機(jī)械100bgglPVPWWt灌裝機(jī)械l某真空灌裝機(jī)的灌裝頭數(shù)為30，要求在0.5s對(duì)0.5L的瓶子抽氣達(dá)到真空度0.5mH2O (1mH2O = 9.8Pa)。若每瓶的灌液時(shí)間為8.5s，灌裝機(jī)的生產(chǎn)能力為6000 pcs/h，已知在標(biāo)準(zhǔn)氣壓 （約等于10mH2O）下，空氣密度為1.183 kg/m3，確定：試求真空泵的抽氣量。解：首先求單位時(shí)間內(nèi)分配給每一灌裝閥的抽氣量，10350(1)0.5 101.183 (109.5)5.92 10 (/ )0.5 10bggPVPWkg st而10350
18、0.5 101.183 9.56.61 10 (/ )8.5 10bglPVPWkg st可見，Wg Wg，不符合要求，為此，應(yīng)重新調(diào)整有關(guān)參數(shù)。若取 Wg = Wg = 6.6110-5，則 tg 0.5s(約0.45s)灌裝機(jī)械因真空度0.5mH2O相當(dāng)于36.78mmHg，查表，用內(nèi)插法得：5.58/Wkg h所以，單位時(shí)間內(nèi)真空泵的抽氣量為22322.5 102.5 106000 0.5 107.5 10 (/ )3600bWQVkg h5226.61 103600 305.587.5 1012.8(/ )gWW jWWkg h按標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，折算成320.003/Wms灌裝機(jī)械灌裝機(jī)械
19、Rgfn90022灌裝機(jī)械TTTTTTT122334灌裝機(jī)械灌裝機(jī)械灌裝機(jī)械4lTt444460603606nTTT4lgTtt灌裝機(jī)械1220TTTt230()2DHtugu灌裝機(jī)械灌裝機(jī)械某臺(tái)等壓灌裝機(jī)，用來瓶裝640ml（空瓶容積為670ml）啤酒時(shí)，生產(chǎn)能力要求達(dá)到10000pcs/h，若采用盤式旋轉(zhuǎn)閥及短管的閥端結(jié)構(gòu)，已知閥端孔口處氣管為9mm3mm，液道內(nèi)徑為13mm；轉(zhuǎn)盤上灌裝區(qū)角度為200；儲(chǔ)液箱內(nèi)氣體壓力為1.5表壓；空氣常壓狀態(tài)下的密度為1.183kg/m3；啤酒的密度為1.013103kg/m3，黏度為1.11410-3Pa.s，其余尺寸如圖所示。試確定該機(jī)所需的頭數(shù)。灌
20、裝機(jī)械解：1）求充氣時(shí)間1166301.4111()670 10()348 10 ()2.5KbPVVmP11/311.41002.5()1.183 ()2.276(/)1kPkg mP 111111.4 1231.41.432112 1.40.0032.5 98.1 102.276 0.531 0.5341.4 13.616 10 (/ )KKKgrgKWAPKkg s 灌裝機(jī)械由0maxmin111,0.42.5PPmaxminmaxmin130.53()3.616 10(0.530.4)1 0.4rgrrgtggrWW dWW d令1sinK進(jìn)行換元積分，求得130.531.335 10
21、grW d330.47 1.335103 10 (/ )0.6gWkg s 求得充氣所需時(shí)間為6113()2.276 (670348) 100.2443 10bggVVtsW灌裝機(jī)械對(duì)于閥端孔口上面一段的環(huán)管，其長(zhǎng)度L1=50mm，當(dāng)量直徑雷諾系數(shù)：若取管子絕對(duì)粗糙度1=0.1，查表得1=0.062，則該段阻力系數(shù)：0e1R2882leu d4ledmm11500.0620.7754leLd對(duì)于儲(chǔ)液箱至灌裝閥間一段的直管，其長(zhǎng)度L2 = 740+ 60=800 mm，管內(nèi)徑d2=20-23.5=13mm，速度折算系數(shù)K2=（A0/A2）20.52雷諾系數(shù)Re2 4871,同樣取2=0.1，查表
22、得2=0.045，則該段阻力系數(shù)：22228000.52 0.0451.4413LKd灌裝機(jī)械對(duì)于灌裝閥閥體內(nèi)的阻力損失，近似看作是三個(gè)90彎頭，加上輸送管道的一個(gè)90彎頭，其阻力系數(shù)均為=0.75，則它們總的折算阻力系數(shù)為2(4)0.52 (4 0.750.05)0.311.896K110.870.38510.775 1.44 1.8961iCLKKd因此，灌裝時(shí)間為：602201640 108.9920.385(0.0130.009 )2 9.81 0.3654lVtsCAgZ求得流速系數(shù)灌裝機(jī)械2）求灌裝機(jī)頭數(shù) 灌裝區(qū)應(yīng)占時(shí)間：48.990.2449.234( )lgTtts442003
23、.33( /min)6610nrT10000506060 3.33Qan灌裝機(jī)械灌裝機(jī)械A(chǔ)J122灌裝機(jī)械0t200102204AJNtt灌裝機(jī)械PZGGkfdD11122()灌裝機(jī)械PzGGtgkfdD22122()()NPP R212102()灌裝機(jī)械NfPDDfP DD3114102408()()灌裝機(jī)械NNNNN啟總總123總灌裝機(jī)械NN電啟 ( . . )1112灌裝機(jī)械MNn扭 97400M扭灌裝機(jī)械MWkp扭扭kpW扭WDdD扭0214.()灌裝機(jī)械MWMdkp扭扭扭0253.dMNnkpkp扭02974000233. . ()dNnkp9740002 143. ()kp2灌裝機(jī)械一、有一臺(tái)40頭果酒灌裝機(jī)，儲(chǔ)液箱液面至出流閥口距離為490mmm，現(xiàn)在該廠用常壓法灌裝重度為0.95白酒，測(cè)得轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一周需20秒，灌裝時(shí)間為9秒，灌裝工位為20個(gè)，若其它條件不變，問：現(xiàn)在用常壓法灌裝時(shí)，該機(jī)生產(chǎn)能力及可能達(dá)到的最大生產(chǎn)能力？二、真空罐酒機(jī)要求在0.5秒內(nèi)對(duì)500ml的瓶子抽氣達(dá)到真空值500mm水柱，每瓶的灌酒時(shí)間為8.5秒，灌裝機(jī)的頭數(shù)為30，生產(chǎn)能力為600瓶/小時(shí)，已知在一個(gè)大氣壓下，空氣的重度r=1.183公斤/米3，求真空必須滿足抽氣量（升/秒）
灌裝機(jī)械課件
