Relatório Descritivo para a Patente de Privilégio de Invenção para "PROCESSOBEM COMO DISPOSITIVO PARA A ESPUMAÇÃO CONTROLADA DE UMLÍQUIDO ENVASADO EM GARRAFAS OU RECIPIENTES SIMILARES"A presente invenção refere-se a um processo de acordo com conceito genérico dareivindicação 1 bem como a um dispositivo de acordo com o conceito genérico dareivindicação 14.
Na indústria de bebidas é notório que garrafas, barris ou recipientes similares queforam envasados numa máquina envasadora com um produto líquido,preferencialmente com um produto contendo ácido carbônico, devem receber,antes do fechamento, aplicação de meio de espumação líquido sob pressão. Tem-se como alvo a espumação da carga no respectivo recipiente a fim de expulsar oar ou o oxigênio contido no ar acima do nível da carga no recipiente, e evitar,com isso, o comprometimento da carga e respectivamente a durabilidade e ogosto da mesma pela ação do oxigênio. Como meio de espumação líquido utiliza-se, por exemplo, água, e isso, por exemplo, respectivamente em estado quente.Para a aplicação do meio de espumação utiliza-se, pelo menos, um bico injetor,para o qual é alimentado o meio de espumação sob pressão, bico esse sob oqual são passados os recipientes já com carga ao longo de um trajeto detransporte entre uma máquina envasadora e uma máquina de capsular, a qual seencontra disposta em seguida à envasadora na linha de produção. É previsto quea aplicação e, respectivamente, a injeção do líquido espumante deve efetuar-sede maneira que sejam considerados tanto os parâmetros específicos de produtobem como em função do desempenho da linha de produção, isto é, dependendodo número de recipientes tratados com o meio de espumação por unidade detempo, de tal modo que, de um lado, seja alcançada uma espumaçãorelativamente forte e, de outro lado, seja evitado um excesso de espumação .Além do mais, é necessário que a aplicação do meio de espumação seja efetuadade modo estéril.
A aplicação de energia introduzida nos recipientes para a espumação, dependede vários parâmetros como, entre outros, da temperatura e do volume do meiode espumação aplicado no respectivo recipiente bem como da pressão dainjeção,com a qual esse meio é injetado no interior dos recipientes. Da mesmamaneira deverá ser levado em consideração o tempo de injeção.Nos processos e respectivamente dispositivos de espumação conhecidos, apressão de injeção e o volume do fluxo do meio de espumação para o respectivo enchimento / carga e para um determinado desempenho teórico da máquinaenvasadora e respectivamente da linha de produção, são ajustados de modo fixo.Todavia, oscilações no desempenho da linha de produção levam, então,forçosamente para espumações imperfeitas da carga nos recipientes, isto é, oulevam a uma espumação insuficiente ou, então, a uma espumação em excesso. É conhecido, também, um dispositivo para a alimentação dirigida de gás inerte,por exemplo, de gás CO2, em latas de bebidas durante o processo defechamento, a fim de melhorar a durabilidade do produto por meio da expulsão doar e do oxigênio do ar contido acima do nível da carga (DE 196 13 142 B4).Dependendo da velocidade de fechamento, regula-se o volume de gás a ser alimentado.
Constitui tarefa da invenção, demonstrar um processo por meio do qual seobtenha uma espumação melhorada de um produto de enchimento colocado emgarrafas ou recipientes similares.
Para a solução dessa tarefa é desenvolvido um processo de acordo com a reivindicação 1. Um dispositivo para a execução do processo é objeto dareivindicação 14.
Segundo conhecimento baseado na invenção, dentre esses parâmetros adequa-se essencialmente apenas a pressão de injeção para a regulagem da aplicaçãoda energia e respectivamente do processo de espumação em função do desempenho da linha de produção e respectivamente em função do desempenhoda máquina envasadora e da máquina de capsular que vem na seqüência.Ademais, também baseia-se na invenção o conhecimento de que uma regulagemdo processo de espumação e, com isso, em especial a pressão de injeção nadependên cia do desempenho da linha de produção, respectivamente, do dispositivo de enchimento e, com isso, também na dependência da quantidade,somente então será possível se a pressão de injeção for regulável dentro de umafaixa larga, por exemplo, numa faixa entre no mínimo 1 bar e 8 bar,preferencialmente numa área entre no mínimo 1 bar e 15 bar, e isso com volumede fluxo de no máximo 2 l/min, preferencialmente de no máximo 1,5 l/min para abomba que produz a pressão de injeção. De acordo com a invenção, efetua-se,desse modo, uma efetiva regulagem da aplicação de energia e respectivamentedo processo de espumação na dependência do desempenho do equipamento deprodução. Por meio da seleção dos parâmetros específicos do produto, a saber dotipo do produto de enchimento / carga, da temperatura de enchimento, do tipo dosrecipientes, respectivamente, das garrafas etc. na unidade de comando e numdispositivo de entrada ali previsto , será computado o valor teórico para a pressãode injeção para o respectivo desempenho da linha de produção, e isso por meiode consulta de lista ou tabela eletronicamente configurada na memória . Por meiode medição da pressão de injeção com um sensor de pressão ali previsto, serácomparado o valor efetivo da pressão de injeção com o valor teórico, enquantoque a rotação e/ou o desempenho da bomba será ou serão regulado (s) de talmaneira, que o valor efetivo corresponda ao valor teórico.
Aperfeiçoamentos da invenção serão objeto de reivindicações secundárias. Ainvenção será descrita com mais detalhes a seguir com base na ilustração deforma simplificada e que mostra um dispositivo de acordo com a invenção para ainjeção com alta pressão.
O dispositivo, designado de modo geral por 1 na ilustração, é parte integrante deuma linha de produção para enchimento de garrafas 2 ou recipientes similarescom carga /produto de enchimento líquido, bem como para o fechamento dasgarrafas cheias 2 e serve, principalmente, para provocar a espumação do produtode enchimento contendo ácido carbônico, por meio de aplicação de energiacontrolada, de tal maneira, que, por meio da espumação, seja expulso o ar eespecialmente o oxigênio do ar contido acima do nível do produto de enchimento /carga da garrafa 2, sem que ocorra excesso de espumação. A aplicação deenergia dá-se por meio de comando através de no mínimo um bico injetor 3,previsto acima da pista de deslocamento das garrafas em sentido vertical 2 numamáquina envasadora não-ilustrada e de uma máquina de capsular igualmentenão-ilustrada. Para a espumação será aplicada uma determinada quantidade pormeio de determinada pressão de injeção, para efeito de espumação, de um meiolíquido e eventualmente aquecido. O meio de espumaçãoção poderá ser, nessecaso, por exemplo, uma carga de água ou também o produto de enchimento.
A respectiva aplicação de energia compõe-se, principalmente de energia cinética,isto é, do volume e da pressão de injeção do meio de espumaçãoção aplicA fim de manter na medida do possível constante a aplicação de energia em cadagarrafa 2, mesmo no caso de desempenho diferenciado do equipamento deprodução, isto é, com quantidade diferente de garrafas 2 enchidas e fechadas porunidade de tempo resp. no caso de quantidade diferenciada das garrafas 2passando pelo bico injetor 3 por unidade de tempo, está previsto que em relaçãoao dispositivo 1, na forma descrita mais detalhadamente a seguir, com o meio deespumação mantido a uma temperatura constante ou substancialmen teconstante, a energia cinética da aplicação de energia será regulada através dealterações da pressão de injeção , na depen dência do desempenho, sendo que,durante a operação do dispositivo 1, o meio de espumaçãoção é expelidoconstantemente do bico injetor em um volume ajustado ao desempenho da linhade produção e à pressão de injeção do bico injetor 3.
O dispositivo 1 consiste, em detalhes, entre outros, de um circuito de bomba 4,cujo componente essencial é uma bomba de alta pressão 5 com motor deacionamento de freqüência regulada. A entrada da bomba 5 está unida com umafonte 8 através de um medidor de fluxo 6 e um duto 7, fonte essa que disponibilizao meio de espumação em estado líquido. Essa fonte 8, por exemplo, é arespectiva rede de suprimento de água fresca, sendo previstos, então, no duto 7ainda outros elementos como por exemplo válvulas de comando e / ou válvulas debloqueio, filtros etc. O 9 designa um sensor de temperatura previsto no duto 7,com o qual será calculada a temperatura do meio de espumação disponibilizadopela fonte 8.
Paralelamente ao arranjo em série da bomba 5 e do medidor de fluxo 6 estáprovido um bypass, constituído essencialmente de um duto 10, que une a saídada bomba 5 com a entrada do medidor de fluxo 6, disposto no sentido do fluxoantes da bomba 5 da bomba 5. No duto 10 estão dispostos, entre outros, umestrangulador 11 bem como um sensor de pressão 12 e um outro sensor detemperatura 13. O fluxo transversal formado pelo estrangulador 11 é selecionadode tal maneira, que mesmo num volume de fluxo mínimo ou na falta de volume defluxo, esteja garantido, na saída do circuito da bomba 4, um fluxo mínimosuficiente para a lubrificação e a refrigeração da bomba 5 através da bomba 5.
A saída do circuito da bomba 4 está conectada, por exemplo, através do duto 14com a entrada de uma caldeira 15 operada eletricamente, que é parte integrantede um circuito de aquecimento 16 e no qual, na forma de execução demonstrada,estão previstos, entre outros, um sensor de pressão 17, um sensor de nível deenchimento 18 e um sensor de temperatura 19. A saída da caldeira 15 estáconectada unida ao bico injetor 3 através de um duto 20, que apresenta, porexemplo, um fluxo ou bico transversal definido, entretanto ajustado ao respectivoenchimento / carga. No duto encontra-se, antes do bico injetor 3, uma válvula debloqueio 21 comandada eletricamente e, antes da válvula de bloqueio, um sensorde temperatura 22.
Entre o sensor de temperatura 22 e a válvula de bloqueio 21 ramifica-se, a partirdo duto 20, um duto-bypass, no qual está prevista uma válvula de bloqueio comcomando elétrico 24e, dujto esse que conduz para um dreno 25. Um duto-bypass26 similar, no qual está previsto uma válvula de bloqueio 27 com comando elétricoe o qual conduz para um dreno 28, ramifica-se na entrada / admissão da caldeira 15.
Comandadas através de uma unidade de comando central 29, à qual são emitidosentre outros, os sinais dos vários sensores de temperatura e sensores depressão, serão possíveis primeiramente os seguintes modos de trabalhofundamentais:
1. Enchimento da caldeira 15 com o meio de espumação em estado liquido eaquecimento do meio de espumação para a temperatura operacional.Para o início de operação do dispositivo 1, enche-se em primeiro lugar acaldeira 15 com meio de espumação (por exemplo, água) e o meio deespumação é aquecido para uma temperatura um pouco superior à posteriortemperatura operacional e de trabalho desse meio, por exemplo, a umatemperatura operacional ou de trabalho de 85°C para uma temperatura de90°C. O enchimento da caldeira 15 dá-se por meio da bomba 5, por exemplo,e/ou o bypass da bomba 10. O aquecimento da caldeira será ativado logo queo medidor do nível de enchimento 18 tenha constatado o total enchimento dacaldeira.
2. Aquecimento do duto 20 e dos dutos- bypass 23 e 26
Com a bomba 5 ligada, válvula de bloqueio 21 fechada bem como válvula debloqueio 24 aberta, haverá um fluxo do meio de espumação aquecidoproveniente da caldeira 15 pelo duto 20 para o duto bypass 23 e de lá para odreno 25. Por meio dos sensores de temperatura 19 e 22 haverá umaregulagem da temperatura do meio de espumação para a temperaturaoperacional (por exemplo, 85°C), e isso através de respectivo comando doaquecimento da caldeira 15.
3. Operação contínua do dispositivo 1
Para a operação do dispositivo 1, o duto bypass 23 será fechado com a válvulade bloqueio 24 e a válvula de bloqueio 21 será aberta, de modo que o meio deespumação aquecido a uma temperatura operacional será injetado nasgarrafas 2 movimentadas por baixo do bico injetor 3 pela pressão de bombaproduzida pela bomba 5.
4. Interrupção da produção
No caso de interrupção da produção, a válvula de bloqueio 21 será fechada e oduto do bypass 23 será aberto pela válvula de bloqueio 24, de modo quecontinua fluindo meio de espumação aquecido pelo duto 20 com a manutençãoda temperatura necessária. De modo análogo podem ser fechada a válvula debloqueio 21 e aberto o duto bypass 23 pela válvula de bloqueio 24, se atemperatura medida pelo sensor de temperatura 22 ficar abaixo de um valorliminar pré-determinado, e isso no caso de interrupção da produção.
5. Término da produçãoPa o esvaziamento, especialmente também da caldeira 15 no final da produção,serão abertos os dutos bypass 23 e 26 por meio das correspondentes válvulasde bloqueio 24 e 27.
Conforme exposto acima, dá-se a regulagem da aplicação de energia na injeçãode alta pressão através do comando da pressão na saída da bomba 5 e com isso,da pressão da injeção do meio de espumação no bico injetor 3 em função de umvalor teórico típico dependendo do desempenho para o respectivoenchimento/carga. Este valor teórico típico para cada produto é, por exemplo,arquivado como registro de dados, respectivamente, como valores efetivos numarquivo 30 do equipamento com controle numérico, de modo que a unidade decomando 29 possa regular, então, a bomba 5 em função do produto e dodesempenho (recipiente/hora), e isso considerando-se um sinal de comandoderivado, por exemplo, à máquina envasadora de acordo com o desempenho dalinha de produção (garrafas enchidas e fechadas 2 por unidade de tempo) econsiderando-se, por exemplo, a pressão verificada pelo sensor de pressão 17adjacente ao bico injetor 3.
Na forma de execução ilustrada, a bomba 5 e, respectivamente, o circuito dabomba 4 estão desenvolvidos de tal modo que a regulagem da pressão da bombaseja possível na faixa entre no mínimo 2 bár e 16 bar, e isso com um fluxo detransporte relativamente pequeno no âmbito de aproximadamente 0,7 - 1,5 I/min.Como com o crescente desempenho do equipamento de produção diminuirá oespaço de tempo no qual cada garrafa 2 fique embaixo do bico injetor 3, e comisso também a quantidade aplicada de meio de espumação, será aumentada apressão de injeção de acordo com o aumento do desempenho do equipamento deprodução.
Em decorrência do respectivo enchimento/carga será alterado, na forma deexecução ilustrada, o diâmetro do bico injetor 3, isto é, num enchimento que tenhatendência fácil para espumar, como por exemplo no caso de cerveja clara, seráutilizado um bico injetor 3 com diâmetro reduzido. No caso contrário haverá autilização de um bico injetor 3 com diâmetro maior quando se tratar de um produtoou enchimento que tenha difícil tendência para a espumação.Na tabela a seguir estão resumidos parâmetros de processo típicos para trêsprodutos diferentes, e isso considerando-se garrafas 2 que apresentam no seubocal de garrafa um diâmetro interno de 22 mm.
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1) constitui o volume máximo Vmax em meio de espumação aplicado na respectivagarrafa 2 e representa respectivamente o desempenho mínimo deaproximadamente 1800 garrafas por hora, numa pressão de injeção de 2,3 bar.
2) constitui o volume mínimo Vmin em emio espumante aplicado na respectivagarrafa 2, e representa respectivamente o desempenho máximo deaproximadamente 29000 garrafas por hora, numa pressão de injeção de 15 bar.Para a bomba 5 resultam, assim, os pontos de trabalho resumidos na tabela aseguir:
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