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1、灌裝機械4.4 灌裝系統(tǒng)設計灌裝系統(tǒng)設計六、灌裝裝置基本參數的設計計算六、灌裝裝置基本參數的設計計算 （一）灌裝機的工藝計算（一）灌裝機的工藝計算 （二）閥端孔口流量的計算（二）閥端孔口流量的計算 （三）灌裝時間的計算（三）灌裝時間的計算 （四）充氣和抽氣時間的計算（四）充氣和抽氣時間的計算 ( (五五) ) 生產能力的計算生產能力的計算七、七、灌裝機械d24dAAVu VuVd4灌裝機械VWG Qmax3600Qmax灌裝機械灌裝機械221122112222efPuPuZHZhggggPgug22hfhfhj ,一般可先假定1,最后根據計算結果可再灌裝機械l有一臺等壓法灌裝機，其最大生產能力
2、Qmax=15000 pcs/h，每瓶的液料質量G = 0.5kg/pc。液料密度=0.996103kg/m3,黏度=0.89410-3Pa.s,儲液箱內的氣體表壓強P2=98.0665kPa，輸液管采用無縫鋼管38mm4mm，截面積A=707mm2，總長L=20m，管路上需安裝2到3個標準彎頭，2個球心閥，為了保證灌裝機正常工作，確定：1）若采用高位槽供料（雙點劃線），該槽對儲液箱進液管出口截面的安裝高度；2）若采用輸液泵供料（實線），而且儲液池液面低于儲液箱進液管出口截面Z2=3m，該泵所需的軸功率（效率=0.7）灌裝機械解：1）求高位槽的安裝高度Z1 設高位槽的自由液面為1-1，儲液箱進
3、液管出口為2-2，可列出相應的伯努利方程式2211221222fPuPuZZhgggg高位槽液面與大氣接觸，按表壓計算，P1=0，故10Pg高位槽液面較大，流速u1甚小，可忽略不計，故2102ug取截面2-2為計算基準，故20Z 再根據已知條件，依次求得：32398.0665 1010.04( )0.996 109.80665Pmgmax2360.5 150002.96(/ )36003600 0.996 10707 10GQum sA灌裝機械2222.960.45( )22 9.80665umg為求管子損失壓頭h，需先算出雷諾準數342e30.038 2.96 0.996 10R9.9 10
4、0.894 10du由于Re2320，可知液料在管內是紊流的，流動修正系數可取=1.另外，取管的絕對粗糙度=0.2，查表得摩擦系數=0.035，則直管阻力損失壓頭2200.0350.4510.5( )20.038fL uhmdg灌裝機械又查表得標準彎頭阻力系數 1=0.75，球心閥全開時阻力系數4=1.若各安裝兩個彎頭和球心閥，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、應用。灌裝機械2）求輸出泵所需的軸功率N 設儲液池的自由液面為1-1，儲液箱仍為2-2取z1=0，z2=3m代入有關值，可得泵壓頭則輸液泵所需的軸功率管路上多了一個標準彎頭，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灌裝機械00VA u灌裝機械（二）（二） 液料流量的計算液料流量的計算 經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: 為灌裝時貯液箱自由液面的液料流速根據液體流動的連續(xù)性方程式,可將 折算成 ,而阻力損失h也可寫成用 表達的一般形式,則上式可改寫成為：u0u1u0u02211001022fPuPuZZhgggg灌裝機械 (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,對于貯液箱情況,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系數; 各段直管阻力系數之和; 各種局部阻力系數之和。ZPA uAgZPugkLd
7、kug110012000202222 (/)()()()121021010 kLdkkugzzPPkAA1012 ()kAA ()02kLdkA1k10灌裝機械由此,可求得孔口截面上液料的流速為 (4-5) 因此,經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; 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參數的函數,這三個參數為：(1)液道流量系數C, (2)孔口截面積 , (3)孔口截
8、面上有效壓頭。A0灌裝機械(三三)灌裝時間的計算灌裝時間的計算 1. 灌裝的水利過程 根據水利學知識,液料由貯液箱或定量杯經過灌裝閥流入待灌瓶內,這一過程應該看成是液體的管嘴出流,按照定量方法和灌轉閥的嘴口伸入瓶內位置的不同,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 長管灌裝長管灌裝 短管灌裝短管灌裝 長管灌裝長管灌裝灌裝機械l定量方法和灌裝閥管口伸至瓶內位置的不同對灌裝時間影響亦不同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定量杯定量的長管灌液過程灌裝機械1.控制液位定量的短管灌液過程若管口伸至瓶頸部分，儲液箱內液位保持不變，儲液箱和待灌瓶內壓力也基本不變，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設料瓶的定量灌液容積為V0（m3），則所需灌液時間0VtV可見，提高生產能力關鍵在于提高體積流量，為此，應設法增加C、P、Z1和A0幾個參數。但是，增加C、P、Z1尚應考慮液流過快，以實現(xiàn)穩(wěn)定的灌液過程；而增加A0也應考慮瓶內液面超過回氣管口能及時達到定量的精度。灌裝機械2.控制液位定量的長管灌液過程若管口接近瓶底，其灌液過程分兩步進行：在液面尚未接觸管口之
10、前，屬于穩(wěn)定的管口自由出流，此灌液時間t1 參閱前面公式計算。而當液面淹沒管口后，因作用在管口上部的靜壓頭隨著瓶內液位的逐漸上升而增強，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。設瓶子內腔截面積為Fb（m3），當液料淹沒管口的高度為h時，可得瞬時t的體積流量近似計算式012 ()bF dhPVCAgZhdtg灌裝機械對于瓶的內腔截面積：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,灌液時間也應分兩部分來求積分從開始淹沒管咀孔口至瓶內灌滿定量液料為止所需灌液時間應為: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，對容積為Vi（=Fb2dh）的第i段液料離開管口的高度；12ttt灌裝機械3.定量杯定量的短管灌液過程若管口伸至瓶頸部分，隨著定量杯內液位逐漸降低，液體流速也會相應減慢，故此灌液過程應屬于不穩(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。當定量杯內液料降至任意位置時,流經管嘴孔口的液料瞬時流量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對應于增量F0dz的時間 式中負號表明定量杯內液料高度是隨時間增長而減少的灌裝機械式中：Z1從管嘴孔口至定量杯內充滿液料時的高度; Z2 從管嘴孔口至定量杯內流完液料時的高度。002()FdzdtPCAgzg 210012002()2()zzF dzFPPtzzggPC AgC Azg 將上式轉換為：定量杯內液料全部注入瓶內所需灌液時間應為:灌裝機械假如定量杯的截面積A0不是常數而是變數,那么,可以由隨高度變化的函數關系A=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,計算出定量杯被分割的每個部分的容積 ,再近似取灌裝
13、每份容量時所對應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間應為: (4-11) 因此,可以求得流完定量杯內液料所需的時間為: (4-12) 只要將定量杯分割的分數取得足夠大,就可以使計算能獲得足夠的精確度。 nVVV21、YYYn12、121201020,222nnnVVVtttCAgYCAgYCAgY121012niniiVttttCAgY 灌裝機械4.定量杯定量的長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行計算：整個罐裝時間應包括淹沒管嘴前、后兩部分時間的和。當灌入瓶內液料尚未淹沒管口之前，屬于不穩(wěn)定的管口自由出流,其灌裝時間t1，其計算方法
14、前面己述；當液料淹沒管口之后，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,所需的灌液時間為t2。灌裝機械 當液料在瓶內淹沒管嘴孔口高度h時,相應定量杯的液料高度為z,這時流經管嘴孔口的瞬時流量為: 欲解上式,必須首先求出兩個變量h和z的關系。因 式中: F0定量杯和橫截面積; Fb瓶內腔的橫截面積。 兩邊積分解得: 1002 ()bPPF dhVCAg zhgdt0bF dzF dh0bFzhCF 灌裝機械積分常數C可由初始條件求得,當液料剛剛淹沒管嘴口,即h=0時,相應定量杯內液料高度為Z，故C = Z 又設定量杯內充滿液料時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流量公式中,將變量Z用變量h轉換后可得: 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內灌滿定量液料為止所需的灌裝時間為:120bFzzhF 002 ()bbPFF dhVCAghzhgFdt 灌裝機械12201200002 (1) 2 (1) hhbbhbbF dhF dhtPFPFCAgzhCAgzhgFgF1110001002(1) (1) 212(1)bbbniibiiFPPFzzhFggFCAgFVCAgPFzhgF 同理，每瓶所需的灌液時間：t = t1 + t2灌裝機械01 1kkbPVPV灌裝機械11()bggVVtW0
16、1 1kkbPVPV1011()KbPVVP1/1100()kPP灌裝機械221100101212tttKPuKPuKggKgg11001121()1KtKtKPPuKP灌裝機械01tPP110011211KKKgtgttgKWAuAPK 12()1KKrK 灌裝機械maxmaxminminmaxminmaxmin()rgrrgtgtgWW dW dW10maxmin111,PPPP灌裝機械011bPVVP10110(1)()bbgggPVVVPtWW灌裝機械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 灌裝機械100bgglPVPWWt灌裝機械l某真空灌裝機的灌裝頭數為30，要求在0.5s對0.5L的瓶子抽氣達到真空度0.5mH2O (1mH2O = 9.8Pa)。若每瓶的灌液時間為8.5s，灌裝機的生產能力為6000 pcs/h，已知在標準氣壓 （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：首先求單位時間內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，應重新調整有關參數。若取 Wg = Wg = 6.6110-5，則 tg 0.5s(約0.45s)灌裝機械因真空度0.5mH2O相當于36.78mmHg，查表，用內插法得：5.58/Wkg h所以，單位時間內真空泵的抽氣量為22322.5 102.5 106000 0.5 107.5 10 (/ )3600bWQVkg h5226.61 103600 305.587.5 1012.8(/ )gWW jWWkg h按標準大氣壓，折算成320.003/Wms灌裝機械灌裝機械
19、Rgfn90022灌裝機械TTTTTTT122334灌裝機械灌裝機械灌裝機械4lTt444460603606nTTT4lgTtt灌裝機械1220TTTt230()2DHtugu灌裝機械灌裝機械某臺等壓灌裝機，用來瓶裝640ml（空瓶容積為670ml）啤酒時，生產能力要求達到10000pcs/h，若采用盤式旋轉閥及短管的閥端結構，已知閥端孔口處氣管為9mm3mm，液道內徑為13mm；轉盤上灌裝區(qū)角度為200；儲液箱內氣體壓力為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。試確定該機所需的頭數。灌
20、裝機械解：1）求充氣時間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 灌裝機械由0maxmin111,0.42.5PPmaxminmaxmin130.53()3.616 10(0.530.4)1 0.4rgrrgtggrWW dWW d令1sinK進行換元積分，求得130.531.335 10
21、grW d330.47 1.335103 10 (/ )0.6gWkg s 求得充氣所需時間為6113()2.276 (670348) 100.2443 10bggVVtsW灌裝機械對于閥端孔口上面一段的環(huán)管，其長度L1=50mm，當量直徑雷諾系數：若取管子絕對粗糙度1=0.1，查表得1=0.062，則該段阻力系數：0e1R2882leu d4ledmm11500.0620.7754leLd對于儲液箱至灌裝閥間一段的直管，其長度L2 = 740+ 60=800 mm，管內徑d2=20-23.5=13mm，速度折算系數K2=（A0/A2）20.52雷諾系數Re2 4871,同樣取2=0.1，查表
22、得2=0.045，則該段阻力系數：22228000.52 0.0451.4413LKd灌裝機械對于灌裝閥閥體內的阻力損失，近似看作是三個90彎頭，加上輸送管道的一個90彎頭，其阻力系數均為=0.75，則它們總的折算阻力系數為2(4)0.52 (4 0.750.05)0.311.896K110.870.38510.775 1.44 1.8961iCLKKd因此，灌裝時間為：602201640 108.9920.385(0.0130.009 )2 9.81 0.3654lVtsCAgZ求得流速系數灌裝機械2）求灌裝機頭數 灌裝區(qū)應占時間：48.990.2449.234( )lgTtts442003
23、.33( /min)6610nrT10000506060 3.33Qan灌裝機械灌裝機械AJ122灌裝機械0t200102204AJNtt灌裝機械PZGGkfdD11122()灌裝機械PzGGtgkfdD22122()()NPP R212102()灌裝機械NfPDDfP DD3114102408()()灌裝機械NNNNN啟總總123總灌裝機械NN電啟 ( . . )1112灌裝機械MNn扭 97400M扭灌裝機械MWkp扭扭kpW扭WDdD扭0214.()灌裝機械MWMdkp扭扭扭0253.dMNnkpkp扭02974000233. . ()dNnkp9740002 143. ()kp2灌裝機械一、有一臺40頭果酒灌裝機，儲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，測得轉盤每轉一周需20秒，灌裝時間為9秒，灌裝工位為20個，若其它條件不變，問：現(xiàn)在用常壓法灌裝時，該機生產能力及可能達到的最大生產能力？二、真空罐酒機要求在0.5秒內對500ml的瓶子抽氣達到真空值500mm水柱，每瓶的灌酒時間為8.5秒，灌裝機的頭數為30，生產能力為600瓶/小時，已知在一個大氣壓下，空氣的重度r=1.183公斤/米3，求真空必須滿足抽氣量（升/秒）
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