徐敏珍，杭維明，葉 鵬，余益君

(杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司研究院，浙江杭州310018)

0 引 言

自2000年以來(lái)，中國(guó)的飲料行業(yè)得到了快速發(fā)展，其中，PET 塑料瓶作為當(dāng)今使用量最大的飲料包裝，被廣泛用于包裝碳酸飲料、飲用水、果汁和茶飲料等食品飲料包裝領(lǐng)域。每年中國(guó)生產(chǎn)的PET 塑料瓶數(shù)達(dá)百億只。同時(shí)與之相配合使用的是塑料瓶蓋，內(nèi)部主要包括防盜圈、連接橋和密封螺紋等幾個(gè)部分。塑料瓶蓋的主要優(yōu)點(diǎn)在于能夠保證塑料瓶?jī)?nèi)飲料產(chǎn)品的質(zhì)量不被惡意破壞，而且可以通過(guò)注塑、壓塑等工藝成型，加工方便、使用簡(jiǎn)單［1-3］。但是該種塑料瓶蓋的使用要求比較高，當(dāng)在低于18 ℃的環(huán)境溫度下使用時(shí)，材料的脆性增加，導(dǎo)致了連接橋斷裂和封蓋不良率提高等問(wèn)題［4-5］。如何在飲料生產(chǎn)中改進(jìn)瓶蓋質(zhì)量，避免上述問(wèn)題，提高封蓋優(yōu)良率，已經(jīng)成為相關(guān)行業(yè)迫切需要解決的問(wèn)題。

目前瓶蓋加熱方法主要是以下兩種:

方法一。在瓶蓋投入使用之前，先將其在高于18 ℃的恒溫倉(cāng)庫(kù)中放置24 h 甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，通過(guò)提高塑料防盜瓶蓋倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境溫度來(lái)提高瓶蓋溫度。

方法二。在瓶蓋投入生產(chǎn)線使用之前，采用熱水浸泡或沖淋的方法來(lái)提高塑料防盜瓶蓋的溫度。

上述兩種瓶蓋加熱方法在飲料生產(chǎn)線中都有一定的應(yīng)用，并且也能取得較好的效果。但是這兩種方法存在著一定的不足，限制了其大面積推廣應(yīng)用。方法一需要建立恒溫倉(cāng)庫(kù)，占用空間大，且需長(zhǎng)期維持一定的溫度，因此能耗較高，而且瓶蓋溫度也不容易控制;方法二的熱水沖淋加熱，存在水質(zhì)不潔凈造成塑料瓶?jī)?nèi)飲料產(chǎn)品二次污染的風(fēng)險(xiǎn)，并且瓶蓋沖淋之后還需要進(jìn)行除水處理，增加了工藝。

針對(duì)上述瓶蓋加熱方法的缺點(diǎn)，本研究設(shè)計(jì)一種新型瓶蓋加熱裝置，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、節(jié)省空間等優(yōu)點(diǎn)，能更好地解決瓶蓋連接橋斷裂和封蓋不良問(wèn)題。

1 瓶蓋加熱倉(cāng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

瓶蓋加熱倉(cāng)采用循環(huán)熱風(fēng)機(jī)產(chǎn)生熱風(fēng)，熱風(fēng)通過(guò)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入蓋倉(cāng)本體內(nèi)部，然后由夾套上的網(wǎng)孔進(jìn)入夾套內(nèi)部，從而對(duì)夾套中的瓶蓋進(jìn)行加熱處理。加熱后的余風(fēng)通過(guò)上方的出風(fēng)口流出，由循環(huán)熱風(fēng)機(jī)進(jìn)行循環(huán)利用。而加熱后的瓶蓋在振動(dòng)機(jī)構(gòu)作用下，通過(guò)出蓋口被輸送到后續(xù)工序進(jìn)行應(yīng)用。

瓶蓋加熱倉(cāng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。從圖中可以看出，瓶蓋加熱倉(cāng)的主要組成部分有:蓋倉(cāng)本體、夾套、循環(huán)熱風(fēng)機(jī)、風(fēng)管等部件，各主要部件的功能及設(shè)計(jì)如下:

圖1 加熱倉(cāng)結(jié)構(gòu)示意圖

(1)蓋倉(cāng)本體的設(shè)計(jì)。三維模型如圖2 所示，蓋倉(cāng)本體用于存儲(chǔ)瓶蓋，并對(duì)其進(jìn)行加熱處理。蓋倉(cāng)本體為倒立的四棱臺(tái)結(jié)構(gòu)，其底部設(shè)有瓶蓋出槽口，與輸送帶對(duì)應(yīng)。當(dāng)需要加熱的瓶蓋在蓋倉(cāng)本體內(nèi)部達(dá)到預(yù)定的溫度后，通過(guò)出槽口輸送到提升輸送帶上，轉(zhuǎn)運(yùn)到下一個(gè)工位進(jìn)行后續(xù)加工處理。

(2)夾套的設(shè)計(jì)。夾套與蓋倉(cāng)本體有一定的配合，從而便于瓶蓋的加熱和輸出。夾套上設(shè)有網(wǎng)孔，熱風(fēng)通過(guò)夾套上的網(wǎng)孔對(duì)夾套內(nèi)的瓶蓋進(jìn)行加熱處理，讓被加熱瓶蓋有一個(gè)合理的受熱梯度，把熱風(fēng)集中于即將輸出的瓶蓋，使得新注入瓶蓋快速達(dá)到均勻加熱并實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸出的效果。同時(shí)，熱風(fēng)集中于輸出口附近，自然也會(huì)有少部分熱風(fēng)泄漏而沿著瓶蓋輸送管道上升，起到了不錯(cuò)的保溫作用。因此，網(wǎng)孔的排列規(guī)律直接影響到夾套內(nèi)瓶蓋的加熱效果。一般情況下，夾套上的網(wǎng)孔采用上密下疏布置。

(3)循環(huán)熱風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)。循環(huán)熱風(fēng)機(jī)的作用是提供瓶蓋加熱所需的熱風(fēng)，同時(shí)將加熱后的余風(fēng)進(jìn)行循環(huán)利用，節(jié)省能耗。實(shí)際應(yīng)用中，考慮到熱風(fēng)損失以及加熱效果，筆者初步選擇盛馳熱風(fēng)機(jī)，型號(hào)為HAMR3A-11，電熱功率為3 kW，最大風(fēng)量為6．8 m3/min，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 循環(huán)熱風(fēng)機(jī)具體參數(shù)

另外，循環(huán)熱風(fēng)機(jī)設(shè)有溫度調(diào)節(jié)器，加熱控制裝置和急停開(kāi)關(guān)。溫度調(diào)節(jié)器用來(lái)控制循環(huán)熱風(fēng)機(jī)的出風(fēng)溫度，加熱控制裝置用于啟動(dòng)循環(huán)熱風(fēng)機(jī)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和空氣加熱功能，以及調(diào)節(jié)出風(fēng)量。

2 瓶蓋加熱倉(cāng)三維流場(chǎng)仿真

考慮到瓶蓋加熱效果以及優(yōu)化循環(huán)熱風(fēng)機(jī)的功率，需要對(duì)加熱倉(cāng)裝置進(jìn)行一定的仿真分析。本研究采用數(shù)值模擬方法，該方法可以對(duì)加熱倉(cāng)裝置中的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等進(jìn)行分析研究，能夠較好地預(yù)測(cè)各種因素對(duì)流場(chǎng)分布以及熱傳導(dǎo)的影響，有利于后續(xù)加熱倉(cāng)裝置綜合性能的提高以及優(yōu)化改進(jìn)［6-9］。

SolidWorks 作為一款主流的三維建模軟件，其自帶SolidWorks Flow Simulation 插件，使用該插件可以很好地利用SolidWorks 的建模功能，無(wú)需轉(zhuǎn)換三維模型，直接進(jìn)行流體分析，節(jié)省了大量的時(shí)間與成本［10-11］。為此，本研究首先通過(guò)SolidWorks 軟件對(duì)加熱倉(cāng)進(jìn)行三維建模，然后使用SolidWorks Flow Simulation 模擬熱風(fēng)在加熱倉(cāng)中的三維流場(chǎng)，為后續(xù)瓶蓋加熱倉(cāng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考［12］。

2．1 模型的建立

根據(jù)上述瓶蓋加熱倉(cāng)的結(jié)構(gòu)示意圖，本研究使用SolidWorks 建立蓋倉(cāng)裝置的三維模型。考慮到后續(xù)仿真計(jì)算地簡(jiǎn)便，本研究對(duì)原始模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，簡(jiǎn)化后的模型如圖2 所示。

圖2 加熱倉(cāng)的三維模型

2．2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

SolidWorks Flow Simulation 采用自適應(yīng)直角網(wǎng)格，該模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，最終可得194 755 個(gè)流體網(wǎng)格、137 845個(gè)固體網(wǎng)格以及207 551 個(gè)部分網(wǎng)格。

本研究針對(duì)加熱倉(cāng)的流場(chǎng)仿真，設(shè)置分析類(lèi)型為內(nèi)部流動(dòng)、固體內(nèi)熱傳導(dǎo)、流體介質(zhì)為空氣，環(huán)境溫度為10 ℃。加熱倉(cāng)底部設(shè)有進(jìn)風(fēng)口，熱空氣以50 ℃，0．113 m3/s的流量由進(jìn)風(fēng)口流入;上方設(shè)有出風(fēng)口，出風(fēng)口邊界保持靜壓。

2．3 仿真結(jié)果分析

(1)溫度場(chǎng)分布。加熱倉(cāng)溫度場(chǎng)的截面圖如圖3所示。從圖3 中可以看出，加熱倉(cāng)中的瓶蓋都進(jìn)行了充分地加熱處理，并且各個(gè)位置處的瓶蓋溫度差別不大，即使溫度較低的局部也達(dá)到了38 ℃，滿足瓶蓋加熱的預(yù)期目的。因此該裝置可以對(duì)加熱倉(cāng)中的瓶蓋進(jìn)行充分有效加熱，并且可以很好地控制瓶蓋溫度，從而達(dá)到預(yù)期的加熱效果。

(2)速度矢量場(chǎng)。速度矢量分布如圖4 所示。從圖4 中可以看出熱空氣進(jìn)入蓋倉(cāng)裝置時(shí)速度比較快，遇到夾套阻擋之后速度變慢，并且熱空氣從夾套上的網(wǎng)孔流入夾套內(nèi)部，對(duì)瓶蓋進(jìn)行加熱。圖4 還可以比較直觀地顯示熱空氣進(jìn)入蓋倉(cāng)裝置之后的流動(dòng)軌跡，由流動(dòng)軌跡可以得知該裝置的設(shè)計(jì)比較合理，不存在熱空氣無(wú)法抵達(dá)的死角。

圖3 溫度分布圖

圖4 速度矢量分布圖

3 生產(chǎn)試驗(yàn)及結(jié)果分析

筆者將本研究設(shè)計(jì)的瓶蓋加熱倉(cāng)投入到某條飲料生產(chǎn)線中進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)季節(jié)為冬季。該生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度為2 萬(wàn)瓶/h，試驗(yàn)對(duì)比時(shí)間為24 h，分別對(duì)未使用瓶蓋加熱倉(cāng)和使用瓶蓋加熱倉(cāng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算由瓶蓋斷環(huán)、高歪蓋引起的廢品比例，具體數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 加熱倉(cāng)使用前后對(duì)比

以上數(shù)據(jù)表明，使用了瓶蓋加熱倉(cāng)后廢次品比例從2．6‰下降到了0．11‰，很好地解決了低溫環(huán)境下因瓶蓋引起的廢品問(wèn)題。

針對(duì)該條飲料生產(chǎn)線，若使用瓶蓋加熱倉(cāng)裝置，每天節(jié)約的飲料瓶總量為:

(759 +434)－(23 +30)=1 140 瓶

按100 天/年的低溫天氣計(jì)算，則全年可節(jié)約飲料總量為:

1 140 ×100 =11．4 萬(wàn)瓶

如按每瓶產(chǎn)品的成本1． 5 元計(jì)算，則可節(jié)約費(fèi)用為:

11．4 ×1．5 =17．1 萬(wàn)元

由此可見(jiàn)，使用了瓶蓋加熱倉(cāng)后，該條飲料生產(chǎn)線每年可節(jié)約17．1 萬(wàn)元，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)了一種塑料瓶蓋加熱倉(cāng)，在氣溫低時(shí)采用熱空氣對(duì)塑料瓶蓋進(jìn)行加熱，提高瓶蓋質(zhì)量。通過(guò)采用SolidWorks Flow Simulation 軟件進(jìn)行仿真分析，確定該加熱倉(cāng)具有熱空氣流動(dòng)效果好，瓶蓋溫升均勻，無(wú)加熱死角等優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)實(shí)際的生產(chǎn)試驗(yàn)，確定了采用瓶蓋加熱倉(cāng)裝置，能夠有效地減少飲料生產(chǎn)中塑料瓶蓋連接橋斷裂的現(xiàn)象，飲料瓶高歪蓋數(shù)量也明顯降低，驗(yàn)證了仿真分析的結(jié)果。同時(shí)，采用加熱倉(cāng)，不僅改善了飲料次品和廢品問(wèn)題，節(jié)約了飲料消耗，而且飲料瓶蓋包裝的完善，能夠防止飲料瓶漏液導(dǎo)致飲料接觸空氣而產(chǎn)生霉變等現(xiàn)象，提高了飲料質(zhì)量，保證了食品安全。

使用該瓶蓋加熱倉(cāng)裝置，一方面可以使企業(yè)降低生產(chǎn)成本，減少質(zhì)量問(wèn)題;另一方面，該加熱裝置也可推廣到其他需采用塑料瓶包裝的行業(yè)，例如日化用品行業(yè)等，具有很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

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