5.1.4.4. Конструкция и принцип действия наполнительных устройств

Наполнение бутылок, естественно, является одним из важнейших процессов, в ходе которого все качественные параметры разливаемого напитка должны сохраняться без измерений. Для этого наполнительные устройства в зависимости от предъявляемых напитками требований должны быть различными по конструкции и функции.

Наполнительные устройства являются сложными по конструкции системами с различными усовершенствованиями, которые следует рассмотреть отдельно. К ним относятся следующие механизмы:

• центрирующие колокольчики;

• нашивные клапаны с трубками;

• наливные клапаны без трубок;

• системы управления клапанами;

• системы наполнения по объему.

Центрирующий колокольчик

Для соединения бутылки с наполнительным устройством имеются, по существу, две возможности:

• либо поднять бутылку и прижать ее к клапану, либо

• прижать клапан к бутылке.

Ниже будет показано, что вторая возможность реализуется при розливе в банки. При наполнении бутылок всегда поднимают бутылку, однако чтобы добиться правильного центрирования бутылок по отношению к наполнительному устройству, используется Центрирующий колокольчик, который поднимается вместе с бутылкой (рис. 5.24). Колокольчик устанавливает ее по центру наполнительного устройства и прижимает к нему.

Наливные клапаны с трубкой

При использовании наливных клапанов с трубкой пиво наливается через наливную трубку, конец которой располагается непосредственно над дном бутылки. Тем самым бутылка наполняется медленно снизу вверх без стекания наливаемого пива по стенкам бутылки, и поэтому поглощение кислорода в этом случае находится на очень низком уровне.

В наливной трубке имеется отверстие для выхода газа на высоте заданного уровня наполнения бутылки, которое связано с каналом возврата газа.

Внутренний диаметр наливной трубки ограничивается:

• горлышком бутылки (« 17 мм);

• наружным диаметром трубки (« 14 мм);

• внутренним диаметром трубки (10-12 мм).

В связи с этим всегда стараются ускорить скорость течения жидкости при помощи перепада давления.

В ходе процесса наполнения создающий противодавление диоксид углерода возвращается через возвратную воздушную трубку обратно в возвратный газовый канал. Поэтому бутылка будет наполнена лишь до входного отверстия трубки возвратного газового канала, так как газ, находящийся выше этой точки, уйти уже не может.

После закрытия наливного клапана наливная трубка еще находится в бутылке, и остатки продукта в ней могут стечь. Естественно, этот объем учитывается при определений высоты отверстия в трубке возврата газа.

Чтобы повысить скорость наполнения в начальной фазе, можно открыть еще один клапан на канале возврата газа в атмосферу, установив тем самым перепад давлений, что ускорит скорость течения жидкости (быстрое наполнение). Близко к концу процесса наполнения этот дополнительный клапан закрывается, и наполнение продолжается с «нормальной» скоростью. При этом получаются три фазы наполнения:

• короткая начальная фаза замедленного наполнения;

• более продолжительная фаза быстрого наполнения;

• короткая фаза замедленного наполнения.

Процесс наполнения с использованием клапанов с наливной трубкой

Фаза 1: Исходное положение

Бутылка захватывается центрирующим колокольчиком, и поднимается надеваясь горлышком на наливную трубку.

Фаза 2: Создание противодавления при помощи СО₂ (синий цвет)

После прижатия бутылки в неё поступает СО₂, вытесняя содержащийся в бутылке воздух снизу вверх.

Фаза 3: Начальная фаза наполнения - отверстие форсунка 1 открыто

Клапан для жидкости открывается, пиво по наливной трубке течет вниз и вытесняет СО₂ вверх. Скорость точения определяется небольшим поперечным сечением отверстия 1 в канале возврата газа. Благодаря малому перепаду давления пиво течет медленно и не пенится.

Эта фаза длится лишь несколько секунд, пока пиво не поднимется примерно на 10-20 мм по наливной трубке.

Фаза 4: Фаза быстрого налива - отверстия 1 и 2 открыты

Путем подключения отверстия с большим поперечным сечением 2 увеличивается перепад давления и тем самым повышается скорость течения, эта фаза длится большую часть времени налива.

Фаза 5: Фаза замедления - отверстие 1 открыто

Вследствие закрытия отверстия 2 пиво продолжает медленно течь, поднимаясь к горлышку бутылки. Таким образом, предотвращается нежелательный перелив бутылки.

Фаза 6: Закрытие клапана для жидкости

Как только пиво достигнет заданного уровня наполнения бутылки, жидкостный клапан закроется. Давление в бутылке сразу же падает до уровня давления в трубопроводе возврата газа, и таким образом происходит первый сброс давления.

Фаза 7: Сброс давления до атмосферного давления

Второй ступенью сброса давления является сброс его до атмосферного давления.

Фаза 8: Опорожнение наливной трубки

После установления связи между трубопроводом СО₂ и наливной трубкой, оставшееся в ней пиво стекает в бутылку, благодаря чему достигается предусмотренное количество наполнения. Затем бутылка опускается и направляется в автомат для укупоривания.

Фаза CIP (9)

Все трубопроводы соединены между собой, и моющий раствор, а в последствии вода подаются в режиме циркуляции, чтобы обработать все участки, подверженные инфицированию микроорганизмами.

Процесс наполнения налива с использованием клапанов без наливных трубок

Узкое горлышко бутылки предопределяет пределы допустимого диаметра наливных трубок и тем самым скорость наполнения и производительность линии.

В настоящее время стремятся ускорить процесс наполнения путем использования клапанов без наливных трубок. При этом пиво приходится направлять по стенкам бутылки, что неизбежно увеличивает опасность поглощения пивом кислорода воздуха.

Такие устройства зачастую называют «наливными устройствами с короткой трубкой» - в отличие от систем с длинными наливными трубками. Однако такое обозначение неправильно, так как видимая короткая трубка является (рубкой возвратного газа, а разливаемое пиво поступает по внутренним стенкам бутылки. Включение в систему короткой трубки неизбежно привело бы к вспениванию пива и очень высокому поглощению кислорода.

Предпринимаются попытки сначала удалить воздух при помощи вакуума и заменить его на СО₂, однако в этом случае при наполнении бутылки удаленный из нее воздух вместе с СО₂ будет возвращен в кольце вой коллектор п. как следствие, повысится содержание кислорода в кольцевом распределительном резервуаре. Во избежание нежелательных последствий СО₂ приходится постоянно обновлять, а это означает относительно высокий расход СО₂ (около 320-350 г СО₂/гл пива).

Содержание кислорода в разлитом пиве благодаря двойному вакуумированию (имеется в виду следующая последовательность операций: вакуумирование - создание противодавления СО₂ - вакуумирование - создание противодавления) снизится до минимума, а стойкость пива повысится. Такой способ розлива без трубок в настоящее время широко распространен и его применение хорошо себя зарекомендовало.

Наливные клапаны без трубок имеют сравнительно высокую производительность, так как для впуска напитка они могут использовать практически всю входную площадь горлышка бутылки, которая уменьшается только на площадь сечения трубки возвратного газа. «Захлебывание» (как, например, при шприцевании бутылок) здесь исключено.

Принцип действия наливного клапана (типа VK2V фирмы Krones. г. Hoйтраублинг) представлен в качестве примера на рис. 5.26.

Фаза 1: Первая вакуумирование

Бутылка прижимается центрирующим колокольчиком (5) вплотную (герметично) к наполнительному устройству, и при помощи неподвижного упора (10) открывается вакуумный клапан (9), 90%-ное вакуумирование происходит очень быстро. Поднимаемый центрирующим колокольчиком вакуумный предохранительный клапан (22) препятствует прерыванию вакуума, если бутылка не была своевременно поднята.

Фаза 2: Дополнительная СО₂ - промывка

С помощью роликового подъемника (14) на короткое время открывается газовый клапан (15), и СО₂ из кольцевого резервуара (3) поступает в бутылку и промывает ее. Этот процесс очень непродолжительный и заканчивается возвращением подъемника в исходное положение. Давление в бутылке повышается примерно до уровня атмосферного.

Фаза 3: Второе вакуумирование

Повторяется процесс фазы 1 и заново создается примерно 90%-нын вакуум. При таком вакууме еще оставшийся в бутылке воздух будет удален при помощи СО₂ и таким образом содержание воздуха в бутылке уменьшится еще примерно на 1%.

Фаза 4: Создание противодавления

Повторяется процесс фазы 2, но он занимает более продолжительное время. Входящий поток СО₂ после двойного вакуумирования устанавливает в бутылке очень высокую концентрацию СО₂, одновременно в бутылке устанавливается давление такое же. как в кольцевом резервуаре. Фазы 3 и 4 на рисунках не представлены.

Фаза 5: Наполнение

После уравнивания давления между бутылкой и в кольцевым резервуаром разливочного автомата наружная пружина (20) открывает уплотнение клапана (17). Пиво может течь только вниз и оно посредством отводящего конуса (9) направляется против стенок бутылки, по которым оно стекает тонким потоком. СО₂ отводится через трубу возврата (6) обратно в резервуар.

Фаза 6: Окончание процесса наполнения

Как только пиво дойдет до нижнего края трубки возврата газа, оно по закону сообщающихся сосудов поднимается по трубке вверх, тогда как газ, оставшийся в бутылке над поверхностью пика, выйти уже не может. Насколько высоко поднимется в трубке пиво, зависит от различных факторов, таких как скорость наполнения, давление и др. На этой фазе наблюдается небольшой перелив в бутылке, который в дальнейшем должен быть скорректирован.

Точная высота наполнения является важнейшим критерием для качества бутылочной) пива: недолив обманывает потребителя и налоговые органы, перелив снижает прибыль: при производительности линии в 100 000 гл (= 20 млн бутылок) разница в 1 мл на пол-литровую бутылку составляет уже 200 гл! Меньшие количества тоже суммируются.

Фаза 7: Стадия корректировки

Если бы пиво из трубки могло свободно вылиться обратно в бутылку, то содержимое бутылки бесконтрольно увеличилось бы, что было бы недопустимо. Чтобы добиться точного уровня наполнения, наливной клапан (17) благодаря движению роликового рычага (14) закрывается, а газовый клапан (15) еще остается открытым. Теперь при помощи стационарного копира открывается расположенный сбоку дополнительный клапан подачи СО₂ (11)- и СО₂ со слегка избыточным давлением примерим в 0,2 бара направляется в горлышко бутылки. Он вытесняет пиво, находящееся выше конца трубки возвратного газа, в трубку возврата воздуха и тем самым возвращает его обратно в кольцевой резервуар. Таким образом достигается точный уровень наполнения бутылки.

Фаза 8: Разряжение (на рисунках не приведено)

В заключение движением роликового рычага закрывается газовый клапан (15) и посредством стационарного копира открывается расположенный сбоку разгрузочный клапан (9).

Через отверстие с малым поперечным сечением отводится избыточное давление которое постепенно выравнивается с атмосферным. Это препятствует немедленному вспениванию.

Фаза 9: Стадия мойки CIP

Линия розлива в настоящее время может нормально функционировать лишь в том случае, если она приспособлена к мойке в системе CIP. Для этого под наливными клапанами устанавливаются моечные крышки и посредством центрирующих колокольчиков они плотно прижимаются к наполнительным устройствам. Таким образом, в режиме циркуляции может быть промыта вся система.

Система управления процессом розлива

Управление процессом розлива в последние годы претерпело большие изменения.

Вплоть до пятидесятых годов применялся пробковый розлив, названный так по пробковому крану, который, поворачиваясь посредством упоров, поочередно открывал

• воздух,

• пиво и возвратный воздух

и в процессе наполнения впрыскивал пиво, находящееся выше пробкового крана, в кольцевой резервуар и тем самым - в бутылки. В дальнейшем были разработаны клапаны, которые допускали наружное управление только в газовом секторе над поверхностью пива. При этом, хотя пиво и не соприкасалось с движущимися снаружи деталями, оно находилось в постоянном соприкосновении с различными пружинами и другими элементами, что неблагоприятно сказывалось на его микробиологическом состоянии.

В связи с этим были предприняты определенные мероприятия для того, чтобы как можно дальше отойти от использования пружин и другой арматуры и найти другие возможности регулирования. Важным шагом в этом направлении было применение вместо клапанов, управляемых извне механически, мембранных клапанов с пневмоприводом (рис. 5.27), в которых газ, создающий противодавление, направлялся бы только вдоль уплотняющей мембраны.

Мембранный клапан приводится в действие из сети сжатого воздуха системы управления (рис. 5.28). Такая система управления позволяет избежать необходимости размещения всех пружин и прочих деталей на наполнительном устройстве.

Многие разновидности разливочных автоматов оснащены на выходе пива винтовыми насадками, придающими струе пива вращение: они имеют специальную конусную форму, способствующую тому, чтобы пиво скользило по стенкам бутылок вниз по спирали.

В последние годы появились некоторые новые идеи по улучшению процессов розлива, например:

• вместо создания противодавления в вакуумированной бутылке углекислым газом можно продуть бутылку перегретым паром и тем самым убить еще оставшиеся в вымытой бутылке микроорганизмы, этот процесс по желанию может быть повторен, что увеличивает эффект, к тому же продувка бутылок более дешевым паром сокращает расход более дорогостоящего СО₂;

• уровень наполнения в некоторых моделях регулируется при помощи электронных датчиков, которые посредством чувствительных сенсоров отслеживают уровень жидкости в бутылке и при достижении заданного уровня переключают подачу пива на стадию медленного наполнения.

Окончательное и точное перекрытие притока пива также осуществляется с помощью очень чувствительного механического датчика, который помещен в защитную трубку (воздушную трубку). В качестве примера ниже приводится наполнительное устройство разливочного автомата типа Innofill ER (фирма KHS, г. Дортмунд).

Электронное управление наполнительным устройством происходит следующим образом (рис. 5.29):

1. вакуумирование бутылки или продувка паром;

2. промывка бутылки СО₂:

3. вакуумирование бутылки;

4. создание противодавления при помощи СО₂;

5. медленное начало наполнения;

6. быстрое наполнение;

7. стадия замедления;

8. конец наполнения с предварительным снятием давления;

9. окончательное снятие давления.