Relatório Descritivo da Patente de Invenção para “PROCESSO BEM COMO DISPOSITIVO PARA A ESPUMAÇÃO CONTROLADA DE UM LÍQUIDO ENVASADO EM GARRAFAS OU RECIPIENTES SIMILARES“
A presente invenção refere-se à um processo de acordo com conceito genérico 5 da reivindicação 1 bem como a um dispositivo de acordo com o conceito genérico da reivindicação 14.
Na indústria de bebidas é notório que garrafas, barris ou recipientes similares que foram envasados numa máquina envasadora com um produto líquido, preferencialmente com um produto contendo ácido carbônico, devem receber, 10 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 o ar 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 o gosto da mesma pela ação do oxigênio. Como meio de 15 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 o qual são passados os recipientes já com carga ao longo de um trajeto de transporte entre uma máquina 20 envasadora e uma máquina de capsular, a qual se encontra disposta em seguida à envasadora na linha de produção. É previsto que a aplicação e, respectivamente, a injeção do líquido espumante deve efetuar-se de maneira que sejam considerados tanto os parâmetros específicos de produto bem como em função do desempenho da linha de produção, isto é, dependendo do 25 número de recipientes tratados com o meio de espumação por unidade de tempo, de tal modo que, de um lado, seja alcançada uma espumação relativamente forte e, de outro lado, seja evitado um excesso de espumação . Além do mais, é necessário que a aplicação do meio de espumação seja efetuada de modo estéril.
A aplicação de energia introduzida nos recipientes para a espumação, depende de vários parâmetros como, entre outros, da temperatura e do volume do meio de espumação aplicado no respectivo recipiente bem como da pressão da injeção,com a qual esse meio é injetado no interior dos
2/10 recipientes. Da mesma maneira deverá ser levado em consideração o tempo de injeção.
Nos processos e respectivamente dispositivos de espumação conhecidos, a pressão de injeção e o volume do fluxo do meio de espumação para o respectivo enchimento / carga e para um determinado desempenho teórico da máquina envasadora 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, ou levam 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 de fechamento, a fim de melhorar a durabilidade do produto por meio da expulsão do ar 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 se obtenha uma espumação melhorada de um produto de enchimento colocado em garrafas 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 da reivindicação 14.
Segundo conhecimento baseado na invenção, dentre esses parâmetros adequa-se essencialmente apenas a pressão de injeção para a regulagem da aplicação da energia e respectivamente do processo de espumação em função do desempenho da linha de produção e respectivamente em função do desempenho da máquina envasadora e da máquina de capsular que vem na seqüência.
Ademais, também baseia-se na invenção o conhecimento de que uma regulagem do processo de espumação e, com isso, em especial a pressão de injeção na dependên 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 uma faixa larga, por exemplo, numa faixa entre
3/10 no mínimo 1 bar e 8 bar, preferencialmente numa área entre no mínimo 1 bar e 15 bar, e isso com volume de fluxo de no máximo 2 l/min, preferencialmente de no máximo 1,5 l/min para a bomba que produz a pressão de injeção. De acordo com a invenção, efetua-se, desse modo, uma efetiva regulagem da aplicação de energia e respectivamente do processo de espumação na dependência do desempenho do equipamento de produção. Por meio da seleção dos parâmetros específicos do produto, a saber do tipo do produto de enchimento / carga, da temperatura de enchimento, do tipo dos recipientes, respectivamente, das garrafas etc. na unidade de comando e num dispositivo de entrada ali previsto , será computado o valor teórico para a pressão de injeção para o respectivo desempenho da linha de produção, e isso por meio de consulta de lista ou tabela eletronicamente configurada na memória . Por meio de medição da pressão de injeção com um sensor de pressão ali previsto, será comparado o valor efetivo da pressão de injeção com o valor teórico, enquanto que a rotação e/ou o desempenho da bomba será ou serão regulado (s) de tal maneira, que o valor efetivo corresponda ao valor teórico.
Aperfeiçoamentos da invenção serão objeto de reivindicações secundárias. A invenção será descrita com mais detalhes a seguir com base na ilustração de forma simplificada e que mostra um dispositivo de acordo com a invenção para a injeção com alta pressão.
O dispositivo, designado de modo geral por 1 na ilustração, é parte integrante de uma linha de produção para enchimento de garrafas 2 ou recipientes similares com carga /produto de enchimento líquido, bem como para o fechamento das garrafas cheias 2 e serve, principalmente, para provocar a espumação do produto de enchimento contendo ácido carbônico, por meio de aplicação de energia controlada, de tal maneira, que, por meio da espumação, seja expulso o ar e especialmente o oxigênio do ar contido acima do nível do produto de enchimento / carga da garrafa 2, sem que ocorra excesso de espumação. A aplicação de energia 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 numa máquina envasadora não-ilustrada e de uma máquina de capsular igualmente não-ilustrada. Para a espumação será aplicada uma determinada quantidade por meio de determinada pressão de injeção, para efeito de espumação, de um meio líquido e eventualmente
4/10 aquecido. O meio de espumaçãoção poderá ser, nesse caso, 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 aplic
A fim de manter na medida do possível constante a aplicação de energia em cada garrafa 2, mesmo no caso de desempenho diferenciado do equipamento de produção, isto é, com quantidade diferente de garrafas 2 enchidas e fechadas por unidade de tempo resp. no caso de quantidade diferenciada das garrafas 2 passando pelo bico injetor 3 por unidade de tempo, está previsto que em relação ao dispositivo 1, na forma descrita mais detalhadamente a seguir, com o meio de espumação mantido a uma temperatura constante ou substancialmen te constante, a energia cinética da aplicação de energia será regulada através de alterações da pressão de injeção , na depen dência do desempenho, sendo que, durante a operação do dispositivo 1, o meio de espumaçãoção é expelido constantemente do bico injetor em um volume ajustado ao desempenho da linha de 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 de acionamento de frequência regulada. A entrada da bomba 5 está unida com uma fonte 8 através de um medidor de fluxo 6 e um duto 7, fonte essa que disponibiliza o meio de espumação em estado líquido. Essa fonte 8, por exemplo, é a respectiva rede de suprimento de água fresca, sendo previstos, então, no duto 7 ainda outros elementos como por exemplo válvulas de comando e/ou válvulas de bloqueio, filtros etc. O 9 designa um sensor de temperatura previsto no duto 7, com o qual será calculada a temperatura do meio de espumação disponibilizado pela fonte 8.
Paralelamente ao arranjo em série da bomba 5 e do medidor de fluxo 6 está provido um bypass, constituído essencialm.ente de um duto 10, que une a saída da bomba 5 com a entrada do medidor de fluxo 6, disposto no sentido do fluxo antes da bomba 5 da bomba 5. No duto 10 estão dispostos, entre outros, um estrangulador 11 bem como um sensor de pressão 12 e um outro sensor de temperatura 13. O fluxo transversal formado pelo estrangulador 11 é
5/10 selecionado de tal maneira, que mesmo num volume de fluxo mínimo ou na falta de volume de fluxo, esteja garantido, na saída do circuito da bomba 4, um fluxo mínimo suficiente 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 14 com a entrada de uma caldeira 15 operada eletricamente, que é parte integrante de 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 de enchimento 18 e um sensor de temperatura 19. A saída da caldeira 15 está conectada unida ao bico injetor 3 através de um duto 20, que apresenta, por exemplo, um fluxo ou bico transversal definido, entretanto ajustado ao respectivo enchimento / carga. No duto encontra-se, antes do bico injetor 3, uma válvula de bloqueio 21 comandada eletricamente e, antes da válvula de bloqueio, um sensor de temperatura 22.
Entre o sensor de temperatura 22 e a válvula de bloqueio 21 ramifica-se, a partir do duto 20, um duto-bypass, no qual está prevista uma válvula de bloqueio com comando elétrico 24e, dujto esse que conduz para um dreno 25. Um duto-bypass 26 similar, no qual está previsto uma válvula de bloqueio 27 com comando elétrico e 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 emitidos , entre outros, os sinais dos vários sensores de temperatura e sensores de pressão, serão possíveis primeiramente os seguintes modos de trabalho fundamentais:
1. Enchimento da caldeira 15 com o meio de espumação em estado liquido e aquecimento do meio de espumacão para a temperatura operacional.
Para o início de operação do dispositivo 1, enche-se em primeiro lugar a caldeira 15 com meio de espumação (por exemplo, água) e o meio de espumação é aquecido para uma temperatura um pouco superior à posterior temperatura operacional e de trabalho desse meio, por exemplo, a uma temperatura operacional ou de trabalho de 85°C para uma temperatura de 90°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
6/10 ativado logo que o medidor do nível de enchimento 18 tenha constatado o total enchimento da caldeira.
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 de bloqueio 24 aberta, haverá um fluxo do meio de espumação aquecido proveniente da caldeira 15 pelo duto 20 para o duto bypass 23 e de lá para o dreno 25. Por meio dos sensores de temperatura 19 e 22 haverá uma regulagem da temperatura do meio de espumação para a temperatura operacional (por exemplo, 85°C), e isso através de respectivo comando do aquecimento da caldeira 15.
3. Operação contínua do dispositivo 1
Para a operação do dispositivo 1, o duto bypass 23 será fechado com a válvula de bloqueio 24 e a válvula de bloqueio 21 será aberta, de modo que o meio de espumação aquecido a uma temperatura operacional será injetado nas garrafas 2 movimentadas por baixo do bico injetor 3 pela pressão de bomba produzida pela bomba 5.
4. Interrupção da produção
No caso de interrupção da produção, a válvula de bloqueio 21 será fechada e o duto do bypass 23 será aberto pela válvula de bloqueio 24, de modo que continua fluindo meio de espumação aquecido pelo duto 20 com a manutenção da temperatura necessária. De modo análogo podem ser fechada a válvula de bloqueio 21 e aberto o duto bypass 23 pela válvula de bloqueio 24, se a temperatura medida pelo sensor de temperatura 22 ficar abaixo de um valor liminar pré-determinado, e isso no caso de interrupção da produção.
5. Término da produção
Pa o esvaziamento, especialmente também da caldeirai5 no final da produção, serão abertos os dutos bypass 23 e 26 por meio das correspondentes válvulas de bloqueio 24 e 27.
Conforme exposto acima, dá-se a regulagem da aplicação de energia na injeção de 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 um valor teórico típico dependendo do desempenho para o respectivo enchimento/carga. Este valor teórico típico para cada produto é, por
7/10 exemplo, arquivado como registro de dados, respectivamente, como valores efetivos num arquivo 30 do equipamento com controle numérico, de modo que a unidade de comando 29 possa regular, então, a bomba 5 em função do produto e do desempenho (recipiente/hora), e isso considerando-se um sinal de comando derivado, por exemplo, à máquina envasadora de acordo com o desempenho da linha de produção (garrafas enchidas e fechadas 2 por unidade de tempo) e considerando-se, por exemplo, a pressão verificada pelo sensor de pressão 17 adjacente ao bico injetor 3.
Na forma de execução ilustrada, a bomba 5 e, respectivamente, o circuito da bomba 4 estão desenvolvidos de tal modo que a regulagem da pressão da bomba seja possível na faixa entre no mínimo 2 bar e 16 bar, e isso com um fluxo de transporte relativamente pequeno no âmbito de aproximadamente 0,7 -1,5 1/min.
Como com o crescente desempenho do equipamento de produção diminuirá o espaço de tempo no qual cada garrafa 2 fique embaixo do bico injetor 3, e com isso também a quantidade aplicada de meio de espumação, será aumentada a pressão de injeção de acordo com o aumento do desempenho do equipamento de produção.
Em decorrência do respectivo enchimento/carga será alterado, na forma de execução ilustrada, o diâmetro do bico injetor 3, isto é, num enchimento que tenha tendência fácil para espumar, como por exemplo no caso de cerveja clara, será utilizado um bico injetor 3 com diâmetro reduzido. No caso contrário haverá a utilização de um bico injetor 3 com diâmetro maior quando se tratar de um produto ou enchimento que tenha difícil tendência para a espumação.
Na tabela a seguir estão resumidos parâmetros de processo típicos para três produtos diferentes, e isso considerando-se garrafas 2 que apresentam no seu bocal de garrafa um diâmetro interno de 22 mm.
Produto ou carga
Aplicação de energia em mJ
Diâmetro injetor em mm do
Volume máximo em
Volume mínimo em ml/FI1) ml/FI2)
Produto 1 |
1,96 |
0,20 |
0,008 |
0,002 |
Produto 2 |
6,00 |
0,35 |
0,015 |
0,050 |
Produto 3 |
12,24 |
0,50 |
0,030 |
0,009 |
8/10 1) constitui ο volume máximo Vmax em meio de espumação aplicado na respectiva garrafa 2 e representa respectivamente o desempenho mínimo de aproximadamente 1800 garrafas por hora, numa pressão de injeção de 2,3 bar.
2) constitui o volume mínimo Vmjn em emio espumante aplicado na respectiva garrafa 2, e representa respectivamente o desempenho máximo de aproximadamente 29000 garrafas por hora, numa pressão de injeção de 15 bar.
Para a bomba 5 resultam, assim, os pontos de trabalho resumidos na tabela a seguir:
Diâmetro do injetor mm
Ponto de trabalho da bomba t
0,20 |
Volume l/min |
0,7 |
1.0 |
Pressão bar |
1,7 |
14,1 |
0,35 |
Volume l/min |
0,8 |
1,2 |
Pressão bar |
1,3 |
14,1 |
0,5 |
Volume l/min |
0,7 |
1,4 |
Pressão bar |
1,3 |
14,1 |
Em geral fica patente nas tabelas acima, entre outros, que independentemente do respectivo produto, resulta a relação Vmax/Vmin aproximadamente 3 - 4, a pressão da bomba fica nitidamente acima de 8 bar e a quantidade máxima de meio de espumação injetada Vmax se situa nitidamente abaixo de 0,05 ml por garrafa mesmo num produto 3 com difícil espumação e baixo desempenho do equipamento de produção.
A quantidade de meio de espumação muito pequena a ser aplicada nas garrafas 2 tem, entre outros, a vantagem, ao se usar água como meio de espumação, de não haver diluição ou essencialmente nenhuma diluição do produto e de que haja especialmente redução essencial do consumo do meio de espumação.
Através do bypass da bomba formado pelo duto 10 será possível manter-se reduzida a quantidade transbordante do meio de espumação do bico injetor 3, de modo desejável e apesar disso assegurar uma suficiente quantidade de suprimento para a bomba 5, especialmente também para a lubrificação e/ou refrigeração da pressão da bomba em função do desempenho do equipamento
9/10 de produção, isto é, no caso de, por exemplo, oscilações de pressão extremamente pequenas na faixa de +/- 0,3 bar, consegue-se atingir o reajuste da pressão da bomba em espaço de tempo extremamente curto, por exemplo, em 0,5 s, e isso mesmo numa alteração extrema do desempenho do equipamento.
A invenção foi descrita anteriormente com base num exemplo de aplicação. Entende-se que são possíveis numerosas alterações bem como variações, sem que por conta disso seja abandonada a idéia central da invenção.
Assim será, por exemplo, possível detectar por meio de um sensor localizado após o bico injetor 3 no trajeto de transporte das garrafas 2, por exemplo, de um sensor ótico-elétrico 31, por exemplo na forma de uma câmera, a formação efetiva de espuma produzida com a injeção de alta pressão e compará-la com uma respectiva espumação teórica, de maneira que se possa reagir de modo regulador e direcionador sobre parâmetros relevantes do processo de injeção, especialmente a pressão de injeção etc.
Como já mencionado, partiu-se do princípio de que a pressão de injeção é regulada pela pressão da bomba 5. Mesmo outras medidas são concebíveis, como, por exemplo, uma regulagem por meio de abertura e fechamento comandada de um duto bypass, por exemplo, do duto bypass 26 e/ou por meio de abertura e fechamento comandados do duto 10 formando o bypass da bomba. São concebíveis também várias combinações para a regulagem da pressão de injeção no bico injetor 3.
Além disso, também é possível prever-se vários bicos de injeção 3 com respectivamente uma válvula de bloqueio 21 e um correspondente duto-bypass 23 dirigível, e isso por exemplo de modo que para a espumação cada garrafa 2 passe por vários bicos de injeção 3.
LISTA DOS SÍMBOLOS DE REFERÊNCIA
Dispositivo para injeção de alta pressão Garrafa
Bico injetor
Circuito da bomba
Bomba
Medidor do fluxo
Duto
10/10
Fonte para o meio líquido de espuma
Sensor de temperatura
Duto do bypass da bomba
Afogador
Sensor de pressão
Sensor de temperatura T
Duto
Caldeira
Circuito para aquecimento
Sensor de pressão
Sensor do nível de carga / enchimento
Sensor de temperatura
Duto
Válvula de bloqueio
Duto do bypass
Válvula de bloqueio
Dreno / descarga
Duro do bypass
Válvula de bloqueio
Dreno / descarga
Unidade de comando
Reservatório
Sensor