ITRM20090066A1 - Impianto di riempimento a caldo di bottiglie. - Google Patents
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Description
TITOLO: “IMPIANTO DI RIEMPIMENTO A CALDO DI BOTTIGLIEâ€
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Campo dell’invenzione
La presente invenzione si riferisce ad una valvola di riempimento di bottiglie, in particolare adatto al riempimento a caldo di bottiglie di plastica con liquidi alimentari, quali succhi di frutta, bevande isotoniche, latte e altre bevande similari, e ad un relativo impianto comprendente una pluralità di valvole di riempimento.
Stato della tecnica
Per garantire la conservazione e la sicurezza di bevande oppure, in generale, di alimenti in forma liquida soggetti a decadimento microbiologico, quali latte, vino, birra, succhi, the, ecc., generalmente si applica un processo di pastorizzazione che consiste in un riscaldamento dell’alimento allo scopo di ridurre o eliminare la presenza di determinati microrganismi. Nel caso di succhi di frutta, the o bevande isotoniche, uno dei metodi più utilizzati per evitare che la bevanda pastorizzata rischi di essere nuovamente contaminata prima del confezionamento à ̈ quello di riempire i contenitori mantenendo la bevanda stessa al di sopra di una determinata temperatura. Tale temperatura à ̈ dipendente dal tipo di prodotto e dalla durata del trattamento stesso. Successivamente, dopo che il contenitore stesso à ̈ stato sigillato, si fa raffreddare l'alimento. Inoltre il processo di riempimento a caldo, quando si effettua in bottiglie di PET, à ̈ legato ad alcune particolarità che richiedono la soluzione di alcuni specifici problemi.
Un primo problema da risolvere consiste nel portare in temperatura ciascuna valvola di riempimento insieme al sistema di riempimento, prima di avviare il processo di riempimento per evitare un raffreddamento del prodotto che comprometterebbe l’efficacia del ciclo di trattamento termico. In sistemi di riempimento noti, tale fase di preriscaldamento avviene attivando un apposito circuito di ricircolo, inizialmente facendo circolare acqua calda, successivamente facendo circolare l'alimento in temperatura che viene mandato in un circuito di recupero senza finire in bottiglia. In questi casi dunque à ̈ prevista una fase di passaggio di un flusso in ricircolo, chiamata fase di ricircolo in valvola.
Un secondo problema da risolvere à ̈ quello di ribaltare la bottiglia per alcuni secondi, immediatamente dopo la chiusura con il tappo, per far sì che la bevanda ancora calda lambisca le superfici interne del tappo e del collo della bottiglia che emergono dal liquido, il cosiddetto “spazio di testa†, sottoponendole ad un trattamento termico che à ̈ tanto più efficace quanto più limitata à ̈ l’estensione di tali superfici. Per questa ragione à ̈ normalmente richiesto un elevato livello in bottiglia a fine riempimento, spesso non raggiungibile con i sistemi di deflessione della tecnica nota.
Un terzo problema à ̈ legato al fatto che il processo di riempimento di molti prodotti, specie ad alta temperatura, tende ad innescare la formazione di schiume. Tali schiume devono essere asportate prima della tappatura in quanto, a contenitore chiuso, si dissolvono traducendosi in un indesiderato abbassamento di livello. E’ pertanto necessario far seguire alla fase di riempimento una fase detta “di ricircolo in bottiglia†durante la quale la porzione superiore del prodotto, già immesso in bottiglia, viene fatta defluire assieme alla schiuma che à ̈ risalita in superficie e reintegrata con nuovo prodotto che entra in bottiglia a bassa portata, senza generare turbolenza e nuova schiuma.
Un altro problema à ̈ quello che, durante gli arresti prolungati della macchina, à ̈ necessario poter attivare tanto la fase di ricircolo in valvola, per evitare un raffreddamento del sistema e in particolare del prodotto presente in prossimità delle valvole chiuse in attesa di essere imbottigliato, quanto la fase di ricircolo in bottiglia per evitare che il prodotto presente nelle bottiglie già riempite si raffreddi prima della tappatura, evento che richiederebbe lo scarto delle bottiglie stesse.
Sia nella fase di preriscaldamento che nella fase produttiva di riempimento, il prodotto ricircolato, sia in bottiglia che in valvola, viene vantaggiosamente recuperato, raffreddato e immesso in un serbatoio dal quale viene progressivamente smaltito aggiungendone una percentuale al prodotto fresco da pastorizzare. Questa percentuale di prodotto che subisce una seconda pastorizzazione dovrebbe essere mantenuta a valori il più possibile bassi per non degradare le caratteristiche organolettiche della bevanda finale. Si rende pertanto necessario adottare un sistema per controllare la quantità di liquido ricircolato in bottiglia al fine di minimizzarne di volta in volta il quantitativo a seconda del tipo di prodotto, del tipo di bottiglia e della cadenza di produzione.
Nel caso frequente di colli di bottiglia di piccolo diametro, la sezione di passaggio a disposizione sia per il riempimento che per l’evacuazione delle schiume à ̈ limitata. Sistemi di riempimento con ricircolo dell'arte nota sono basati su beccucci “a ricircolo interno†che generano una serie di problemi in quanto:
a) riducono ulteriormente le sezioni utili e richiedono pertanto una certa spinta, ovvero il carico piezometrico, che si traduce in indesiderabili sollecitazioni sulla bottiglia di plastica,
b) non permettono una deflessione ottimale, cosa che genera schiuma,
c) non permettono una rapida evacuazione della schiuma, cosa che comporta un’alta percentuale di prodotto in ricircolo,
d) penetrano internamente alla bottiglia e restano sommersi dal liquido a fine riempimento, per cui con l’estrazione del beccuccio stesso il livello decresce, il che à ̈ un effetto indesiderabile.
Altro importante problema à ̈ che il mercato richiede sempre più succhi di frutta al 100% o comunque bevande a base di frutta contenenti un determinato quantitativo di polpe, filamenti o cellette che conferiscono alla bevanda particolari caratteristiche di “naturalità †. La presenza di polpe nella bevanda mette in crisi i sistemi di controllo del ricircolo tradizionalmente basati su orifizi calibrati. Inoltre se il processo di riempimento innesca eccessive turbolenze la polpa tende a inglobare un quantitativo di schiuma che non risale rapidamente in superficie e che può essere asportato solo a prezzo di una fase di ricircolo molto lunga, che si traduce, come detto sopra, in una elevata quota di prodotto in recupero e in un deterioramento delle caratteristiche organolettiche del prodotto.
Si sta diffondendo oggi l’impiego di nuovi materiali poiché le moderne tecnologie di soffiaggio permettono di ottenere bottiglie in plastica, tipicamente in PET, polietilentereftalato, al contempo idonee al riempimento a caldo, fino a 95°C, e sufficientemente resistenti sebbene siano ottenute utilizzando quantitativi sempre minori di materiale. E’ importante quindi che il processo di riempimento non sottoponga il contenitore a pressioni e sollecitazioni tali da comprometterne la stabilità dimensionale dal momento che l’elevata temperatura tende a ridurne la resistenza.
Quando si utilizza la soluzione di fare penetrare gli ugelli e i sistemi di deflessione all’interno della bottiglia al fine di ottimizzare il deflusso dell’alimento, venendo così parzialmente sommersi dal liquido a fine riempimento per poi emergere nella fase di distacco dalla bottiglia, facilmente si possono avere problemi di fuoriuscita di prodotto con conseguente sporcamento dell’esterno dell’imboccatura e successiva formazione di muffe negli interstizi tra capsula e bottiglia, oppure, specie in colli di piccolo diametro, problemi di abbassamento del livello finale legato all’emersione di queste parti.
Inoltre à ̈ importante, specie con imboccature delle bottiglie di grande diametro, movimentare il contenitore senza sottoporlo a urti e senza fargli seguire traiettorie con salite e discese repentine o comunque con raggi di curvatura tali da generare elevate componenti centrifughe, affinché il trasferimento dei contenitori riempiti e non ancora tappati avvenga in maniera tale da non generare fuoriuscite di prodotto essendo minima la distanza tra il pelo libero del liquido e il bordo superiore del collo del contenitore.
Oggi à ̈ considerata desiderabile l’adozione di sistemi di riempimento completamente meccanici in luogo di sistemi a controllo elettronico, dal momento che una macchina per il riempimento in temperatura costituisce un ambiente tendenzialmente “ostile†per cavi, schede e componenti elettronici in genere, a causa dell’elevata temperatura, o degli intensi e frequenti lavaggi necessari per rimuovere depositi di prodotto dovuti a schizzi e vapori. L’utilizzo di componenti elettronici a bordo macchina richiederebbe inoltre l’adozione di scatole di copertura e lamiere di protezione con la creazione di aree schermate non lavabili.
Inoltre à ̈ preferibile che le parti al di sopra della bottiglia siano il più possibile prive di interstizi e punti nascosti e difficilmente lavabili, o di elementi in scorrimento come boccole e guarnizioni che, essendo soggetti ad usura, lasciano depositi e residui. Infatti il liquido presente su queste superfici per effetto di formazione di condense, o a causa di getti d’acqua che si rendessero necessari per lavare o lubrificare alcune parti, potrebbe sgocciolare nelle bottiglie aperte che transitano al di sotto della valvola in fase di ingresso e di uscita dalla giostra di riempimento. E’ pertanto sentita l’esigenza di realizzare un sistema di riempimento di bottiglie che consenta di superare i suddetti inconvenienti.
Sommario dell’invenzione
Scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare una valvola di riempimento di bottiglie che consenta di soddisfare nel modo più efficiente possibile tutti i requisiti posti dalle peculiarità tipiche di applicazioni per riempimento a caldo, e nel contempo consentisse di mantenere la stessa configurazione di base anche per trattare liquidi piatti a freddo senza esigenze di ricircolo, per es. acqua piatta.
Un ulteriore scopo dell’invenzione à ̈ quello di realizzare un metodo di riempimento di bottiglie che, mediante la suddetta valvola di riempimento, consenta di superare tutti i citati inconvenienti dello stato della tecnica.
La presente invenzione, pertanto, si propone di raggiungere gli scopi sopra discussi realizzando una valvola di riempimento per riempire contenitori che, conformemente alla rivendicazione 1, comprende:
- un corpo valvola definente al suo interno un volume per il passaggio di un liquido di riempimento e provvisto di un foro per l’immissione di detto liquido in uno di detti contenitori,
- un primo otturatore di detto foro, scorrevole all’interno del corpo valvola, in cui detto primo otturatore à ̈ provvisto ad una sua prima estremità di un elemento di tenuta idoneo a chiudere a tenuta il foro e configurato in modo da definire, in cooperazione con un fondo del corpo valvola, un sifone tra detto volume e detto foro,
ed in cui in detto foro à ̈ alloggiato un elemento di deflessione del liquido, configurato in modo da conferire al liquido che lo attraversa una componente rotazionale che permette al liquido stesso di aderire alle pareti del contenitore durante la fase di riempimento,
detto elemento di deflessione essendo fissato solidalmente e direttamente a contatto con detta prima estremità del primo otturatore.
Un secondo aspetto della presente invenzione prevede un metodo di riempimento di un contenitore con un liquido di riempimento mediante la suddetta valvola di riempimento che, conformemente alla rivendicazione 15, comprende le fasi di: - riscaldare il corpo valvola della valvola di riempimento mediante un passaggio nel volume di detto corpo valvola prima di acqua calda e poi di liquido di riempimento ad una predeterminata temperatura, mantenendo in posizione di apertura il secondo otturatore ed in posizione di chiusura il primo otturatore;
- portare il secondo otturatore in posizione di chiusura;
- portare il primo otturatore in posizione di apertura e riempire il contenitore con il liquido di riempimento fino a raggiungere un volume di liquido imbottigliato corrispondente ad un livello determinato dalla posizione della sezione di imbocco del condotto di evacuazione, con conseguente evacuazione di aria attraverso detto condotto di evacuazione;
- continuare a riempire il contenitore in modo da far ricircolare il liquido di riempimento nel contenitore con conseguente evacuazione di una porzione di detto volume di liquido imbottigliato attraverso il condotto di evacuazione;
- portare il primo otturatore in posizione di chiusura ad un predeterminato istante tale che detta porzione di volume sia pari al massimo al 10% del volume di liquido imbottigliato.
Vantaggiosamente, il sistema dell’invenzione prevede la presenza di un sifone drenabile in modo da evitare indesiderate stagnazioni di liquido, grazie alla valvola di ricircolo interno che, disposta in posizione opportuna, consente il completo svuotamento del sifone.
Inoltre, il sistema di deflessione interno al corpo della valvola di riempimento ha una configurazione tale per cui non si verificano intasamenti durante il riempimento di prodotti con polpe. Vantaggiosamente il sistema di deflessione presenta una serie di passaggi tali da orientare il flusso di prodotto conferendo ad esso una componente centrifuga sufficiente a garantire l’aderenza del liquido alle pareti della bottiglia scavalcando gli spigoli interni al profilo della bottiglia stessa.
Un ulteriore vantaggio à ̈ offerto dal fatto di prevedere l’attuatore pneumatico dell’otturatore principale della valvola di riempimento all’interno del corpo del carrello di movimentazione, evitando che eventuali perdite di aria compressa vadano a contatto con il prodotto da imbottigliare.
La connessione tra l’otturatore principale della valvola di riempimento e il relativo attuatore à ̈ semplice dal punto di vista costruttivo, prevedendo pochi e semplici pezzi, e consente anche una agevole manutenzione grazie alla facilità di disconnessione tra i due suddetti componenti, pur garantendo per ragioni igieniche la totale separazione tra corpo pneumatico e canali di passaggio del prodotto.
Grazie alla combinazione di caratteristiche del sistema di riempimento dell’invenzione si conseguono numerosi vantaggi rispetto a sistemi della tecnica nota:
- il sistema di riempimento à ̈ in grado di trattare bevande contenenti polpe, filamenti e cellette;
- esso consente un riempimento a portata più elevata con forte risparmio economico legato alla conseguente riduzione di taglia della macchina,
- esso rende possibile il raggiungimento di livelli più elevati di riempimento dei contenitori, specialmente con colli di piccolo diametro;
- esso consente una riduzione della quantità di prodotto ricircolato, con conseguente miglioramento della qualità del prodotto finale;
- si ottiene anche la riduzione del carico piezometrico o pressione di riempimento, e quindi della pressione in bottiglia con possibilità di lavorare con bottiglie più leggere.
Infine, il sistema combina una semplificazione dei componenti con una riduzione dei costi della struttura (piazzola portarubinetti, comandi, camma rubinetti, basamento) oltre a raggiungere un miglioramento della pulizia interna e esterna ed un miglioramento delle prestazioni del sistema di movimentazione.
Le rivendicazioni dipendenti descrivono realizzazioni preferite dell’invenzione. Breve descrizione delle Figure
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, di un sistema di riempimento di bottiglie illustrato, a titolo esemplificativo e non limitativo, con l’ausilio delle unite tavole di disegno in cui: la Figura 1 rappresenta una vista in prospettiva di una valvola di riempimento secondo l’invenzione;
la Figura 2 rappresenta una prima vista in sezione di una valvola di riempimento secondo l’invenzione;
la Figura 3 rappresenta un ingrandimento di parte della vista di Figura 2;
la Figura 4 rappresenta una seconda vista in sezione della valvola di riempimento suddivisa in due parti;
la Figura 5 rappresenta una parziale vista in sezione in cui à ̈ illustrata una prima variante di un primo componente;
le Figure 5a, 5b e 5c rappresentano rispettivamente una vista laterale, una vista in sezione ed una vista dall’alto di detta prima variante;
la Figura 6 rappresenta una parziale vista in sezione in cui à ̈ illustrato una seconda variante di detto primo componente;
le Figure 6a, 6b e 6c rappresentano rispettivamente una vista laterale, una vista in sezione ed una vista dall’alto di detta seconda variante;
le Figure da 7a a 7f rappresentano diverse fasi del processo di riempimento a cal do;
la Figura 8 rappresenta quattro fasi di funzionamento della valvola secondo l’invenzione;
la Figura 9 rappresenta un impianto di riempimento di bottiglie comprendente valvole di riempimento secondo l’invenzione;
la Figura 10 rappresenta uno schema della giostra di riempimento in cui sono evidenziati gli angoli relativi alle diverse fasi del processo di imbottigliamento.
Descrizione in dettaglio di una forma di realizzazione preferita dell’invenzione Con particolare riferimento alla figura 1, la valvola di riempimento dell'invenzione à ̈ idonea al riempimento a caldo (fino a 95°C) in bottiglie di PET di bevande a bassa viscosità (viscosità cinematica <20 cSt) contenenti polpe di dimensioni max à ̃=3xL=5 o filamenti di dimensioni max à ̃=1xL=10 (alcuni esempi di bevande rispondenti ai requisiti indicati sono: the, Gatorade e bevande isotoniche, salsa di soia, latte di soia, aceto balsamico, nettare di pesca/mela/pera/banana fino al 50%, succo di ananas, bevande vitaminizzate tipo ace, succhi di mela o di agrumi al 100%). Le bottiglie possono essere, ad esempio, in formati compresi tra 100 e 3500 ml ed aventi imboccature con diametro esterno comprese tra 28 e 38 mm e diametro interno fino a un minimo di 17 mm.
La suddetta valvola di riempimento, globalmente indicata con il riferimento numerico 1 in Fig.1, comprende:
- un carrello 11 per la movimentazione verticale della valvola stessa che ne permette un movimento senza inceppamenti, limitando al tempo stesso il numero di contatti di strisciamento e l’estensione delle superfici bagnate che potrebbero sgocciolare in bottiglia;
- un corpo valvola 2 al quale viene addotto il liquido di riempimento tramite una tubazione flessibile 3;
- un primo otturatore 4, alloggiato all’interno detto del corpo valvola 2, comprendente uno stelo di comando 15 e, all’estremità inferiore di quest’ultimo, un elemento di tenuta 16, in elastomero o altro idoneo materiale, atto ad aderire al fondo interno del corpo valvola 2;
- un sifone 5 per il controllo del livello di riempimento, definito dal fondo interno del corpo valvola 2 e dall’elemento di tenuta 16;
- un sistema di deflessione 6 in valvola che consenta il deflusso dal corpo valvola 2 alla bottiglia senza turbolenze e senza l’introduzione di elementi di deflessione all’interno della bottiglia stessa;
- un attuatore pneumatico 7 integrato nel carrello 11 che permetta l’apertura dell’otturatore 4 del prodotto, comandato per mezzo di uno scambiatore pneumatico (non illustrato) azionato da camme fisse esterne alla giostra di riempimento; - un condotto di evacuazione 8 integrato nell’otturatore 4, utilizzato sia per l’evacuazione dell’aria contenuta nella bottiglia durante la fase di riempimento, sia per il ricircolo del liquido a fine riempimento (fase di evacuazione schiuma o mantenimento in temperatura);
- una valvola di ricircolo 1’, comprendente un secondo otturatore 9 con relativo attuatore pneumatico 10, innestata sul corpo valvola principale 2, con la duplice funzione di consentire il ricircolo in valvola, durante le fasi di preriscaldamento e di mantenimento in temperatura a macchina ferma, e di drenare completamente il sifone 5 interno alla valvola al termine delle procedure di lavaggio interno.
La collocazione dell’attuatore pneumatico 7 dell’otturatore principale 4 della valvola di riempimento all’interno del corpo del carrello di movimentazione 11 evita che eventuali perdite di aria compressa vadano a contatto con il prodotto da imbottigliare, in quanto la parte di attuazione della valvola di riempimento, comprendente l’attuatore 7, e la parte di “processo†della stessa valvola comprendente l’otturatore 4, ossia la parte in cui fluisce il liquido da imbottigliare, sono fisicamente separate e collegate mediante semplici mezzi di fissaggio, quali ad esempio una ghiera e due viti.
Il sifone 5 per il controllo del livello di riempimento delle bottiglie viene azionato mediante l’attuatore 7 che solleva o abbassa l’otturatore 4 e, quindi, l’elemento di tenuta 16 ad esso solidale. Questo elemento di tenuta 16 ha una forma sostanzialmente a cappello. Il fondo del corpo valvola 2 à ̈ provvisto di una sporgenza anulare 19 che definisce, in cooperazione con l’elemento di tenuta 16, il sifone 5. Il sistema di deflessione 6, per la deflessione del liquido in valvola, comprende vantaggiosamente un mulinello, nella terminologia inglese noto come “swirler†, comprendente una pluralità di condotti elicoidali 13 tali da conferire al liquido che li attraversa una componente rotazionale che permette al liquido stesso di aderire alle pareti della bottiglia durante la fase di riempimento, rendendo quest’ultimo più veloce e causando una bassa formazione di schiuma.
Lo swirler 6 può avere inviluppo esterno cilindrico (Figura 6) quando vengono trattati prodotti limpidi, mentre può avere inviluppo esterno conico (Figura 5) quando vengono trattati prodotti con polpe.
La configurazione conica consente di aumentare la sezione di passaggio disponibile per il prodotto all’apertura dell’otturatore principale 4 della valvola, minimizzando la probabilità di intasamento dovuta al passaggio delle polpe contenute nel liquido.
La configurazione cilindrica ha il vantaggio che lo swirler può essere smontato dalla valvola sfilandolo dal basso, svitando semplicemente l’elemento tubolare o beccuccio 17 sul quale à ̈ montato. Questo, nel caso di prodotti limpidi, consente di poter montare un beccuccio con deflettore tradizionale, nel caso in cui la macchina debba trattare anche prodotti a freddo ad una maggiore velocità di produzione sempre che il livello di prodotto in bottiglia lo consenta.
Inoltre, la posizione dello swirler direttamente a contatto con l’estremità inferiore dell’otturatore 4 soprastante evita che polpe, cellette o filamenti rimangano accavallate sulle creste delle eliche, non trovando nessuna superficie orizzontale alla quale impigliarsi. La suddetta conformazione del sistema di deflessione, pur mantenendo l’efficienza dei sistemi tradizionalmente applicati al riempimento di succhi limpidi, permette vantaggiosamente il passaggio di bevande ad elevato contenuto di polpe e filamenti.
Vantaggiosamente le eliche dello swirler 6 sono state dimensionate in modo tale che i condotti elicoidali 13 siano tali da far passare le polpe di dimensioni massime contenute nel prodotto, lo sviluppo dell’elica sia tale da raccogliere il liquido radialmente e da rilasciarlo in bottiglia sempre radialmente dopo aver impresso al liquido stesso la componente rotazionale voluta.
Per ottenere questo, una variante preferita prevede un passo dell’elica pari a circa 1,5÷2,5 volte l’altezza dello swirler 6, preferibilmente pari al doppio di detta altezza. Lo swirler sia conico che cilindrico può prevedere, ad esempio, sei eliche aventi un passo di 36 mm.
Le dimensioni dello swirler sono dettate anche dalla conformazione dei componenti della valvola che lo circondano, avendo delle dimensioni ben precise in funzione del diametro del foro di sbocco della valvola 1, ad esempio 20 mm, e dell’altezza della parte terminale inferiore della valvola, parte variabile con il for mato della bottiglia da riempire.
Per quanto riguarda il materiale costituente lo swirler, esso può essere ad esempio realizzato in materiale plastico o in acciaio inox.
Lo swirler 6 à ̈ montato su una prima porzione del beccuccio 17, provvisto internamente di un canale che costituisce la parte terminale del condotto 8, detto beccuccio 17 essendo inserito e fissato ad una prima estremità all’otturatore 4 mentre la sua lunghezza à ̈ tale che la sua seconda estremità à ̈ idonea ad estendersi all’interno di un contenitore da riempire solo per tratto corrispondente ad una porzione del collo del contenitore.
Il beccuccio 17, adiacente e al di sotto della prima porzione predisposta per il montaggio dello swirler 6, ha una seconda porzione avente un predeterminato profilo esterno 18 caratterizzato da un primo tratto convergente verso l’asse del condotto 8 ed un secondo tratto divergente verso detto asse. Questi due tratti di profilo esterno sono sostanzialmente troncoconici e raccordati dolcemente tra loro, come visibile in Figura 3.
Questa particolare configurazione ha la funzione di rompi goccia, ossia di agevolare il distacco dal beccuccio 17 del liquido in uscita dai condotti elicoidali 13 dello swirler 6 in modo da deviare tutto il liquido verso la superficie interna della bottiglia evitando una maggiore formazione di schiuma durante il riempimento ed il disturbo della vena liquida, che fluirebbe lungo il beccuccio 17 fino alla sezione di imbocco 14, nei confronti del flusso di aria di ritorno dalla bottiglia che causerebbe un rallentamento delle fasi di riempimento.
Lo swirler 6 à ̈ disposto completamente all’interno del corpo valvola 2 mentre il tratto di profilo esterno 18 del beccuccio può essere completamente o parzialmente all’interno o completamente all’esterno del corpo valvola 2. Questa configurazione dello swirler evita problemi di fuoriuscita di prodotto con conseguente sporcamento dell’esterno dell’imboccatura e successiva formazione di muffe negli interstizi tra capsula e bottiglia, oppure, specie in colli di piccolo diametro, problemi di abbassamento del livello finale legato all’emersione del sistema di deflessione dall’interno della bottiglia come nei sistemi noti.
Vantaggiosamente la lunghezza del beccuccio 17 à ̈ tale che, quando la valvola di riempimento viene abbassata sulla bottiglia da riempire, la seconda estremità del beccuccio si estende all’interno della bottiglia soltanto per un tratto corrispondente ad un tratto iniziale del collo. Questo permette di ottenere:
- un livello di riempimento più elevato rispetto alle soluzioni della tecnica nota, molto prossimo al riempimento a raso, rendendo pertanto molto efficace il trattamento termico del cosiddetto “spazio di testa†,
- la generazione di una minore quantità di schiuma ed una sua più rapida evacuazione,
- una minima riduzione delle sezioni utili di passaggio del liquido e quindi à ̈ richiesto un basso carico piezometrico che si traduce in sollecitazioni facilmente sostenibili anche da parte di bottiglie di plastica di spessore sottile.
La particolare configurazione del condotto 8 permette al liquido presente all’interno del condotto stesso di scaricarsi nel condotto di recupero 12 anziché in bottiglia permettendo di ridurre gli sgocciolamenti e di migliorare la precisione dei livelli: questo effetto à ̈ dovuto alla posizione fisicamente più bassa della sezione di sbocco 13 del condotto 8, ossia la sezione di estremità in prossimità del condotto di recupero 12, rispetto alla sezione di imbocco 14 dello stesso condotto 8, ossia la sezione di estremità in prossimità della posizione di riempimento della bottiglia, condizione che crea un carico piezometrico favorevole allo scarico del liquido presente all’interno del condotto 8 interamente nel condotto di recupero 12.
Le Figure da 7a a 7f illustrano diverse fasi del riempimento a caldo di una bottiglia mediante la valvola dell’invenzione.
1) Prima di avviare la fase di riempimento in bottiglia (Figura 7b) à ̈ necessario prevedere una fase di riscaldamento della macchina di riempimento e quindi delle valvole di riempimento 1, eseguita in un primo momento con acqua calda ed in un secondo momento con il prodotto da imbottigliare in temperatura, che vengono fatti ricircolare in valvola (Figura 7a). In questa fase di riscaldamento, prima l’acqua calda e poi il prodotto a predeterminate temperature, attraverso la tubazione flessibile 3, arrivano nel corpo valvola 2 in cui l’otturatore 4 à ̈ abbassato, chiudendo la valvola di riempimento, mentre l’otturatore 10 à ̈ in posizione retratta consentendo il passaggio dell’acqua calda e del prodotto caldo nel condotto di ricircolo 8’ connesso al condotto di recupero 12. L’acqua in uscita dal condotto 8’ viene fatta uscire dall’impianto.
Il passaggio di questa prima parte di prodotto serve per eliminare l’acqua calda residua e mantenere la temperatura desiderata all’interno del corpo valvola 2. Anche questa prima parte di prodotto in uscita dal condotto 8’ viene fatta uscire dall’impianto.
2) Ad un istante predeterminato una bottiglia 20 viene portata da una stella di carico in una posizione al di sotto di una valvola di riempimento 1. La valvola 1 viene pertanto abbassata tramite il carrello 11 in modo da innestarsi sulla bottiglia 20 con il beccuccio 17 parzialmente all’interno della bottiglia stessa (Figura 7b). L’otturatore 10 viene azionato dall’attuatore 9 per chiudere la valvola di ricircolo 1’ e la bottiglia percorre un primo predeterminato angolo K lungo la giostra di riempimento.
3) A questo punto, con la valvola di ricircolo 1’ chiusa, inizia la fase di riempimento della bottiglia 20 in cui l’otturatore 4 à ̈ sollevato dall’attuatore 7, aprendo la valvola di riempimento, consentendo il passaggio del prodotto attraverso il sifone 5 lungo i condotti elicoidali dello swirler 6 e successivamente lungo le pareti della bottiglia (Figura 7c). Durante la fase di riempimento si ha la fuoriuscita di aria dalla bottiglia mediante il condotto 8 e la bottiglia percorre un secondo predeterminato angolo Y lungo la giostra di riempimento.
4) Una volta raggiunto il livello di riempimento avente una quota corrispondente a quella della estremità inferiore del beccuccio 17, inizia la fase di ricircolo del prodotto in bottiglia per la fuoriuscita dalla bottiglia 20 della schiuma e di una predeterminata quantità di prodotto che, attraverso il condotto 8, si immette nel condotto di recupero 12 per essere poi miscelato con nuovo prodotto ed essere sottoposto ad una seconda pastorizzazione (Figura 7d). Durante la fase di ricircolo in bottiglia, la bottiglia percorre un terzo predeterminato angolo X lungo la giostra di riempimento.
5) Ad un istante predeterminato, ultimata la fase di ricircolo con una quantità di prodotto ricircolato pari al massimo al 10% del prodotto imbottigliato, l’otturatore 4 viene abbassato chiudendo la valvola di riempimento 1 (Figura 7e) e la stessa valvola 1 viene sollevata tramite il carrello 11 (Figura 7f) in modo da sganciarsi dalla bottiglia 20, piena di prodotto, che viene agganciata da una stella di scarico. Sono previste periodicamente fasi di sanificazione, ossia fasi di pulizia e sterilizzazione della macchina, effettuate ad ogni cambio di prodotto da imbottigliare oppure dopo un certo numero di ore di funzionamento della macchina prevedendo il ricircolo in valvola di soluzioni appropriate, utilizzando una falsabottiglia 30 fissata alla valvola 1.
La Figura 8 illustra quattro modalità di funzionamento della valvola di riempimento dell’invenzione.
In Figura 8a sia la valvola di riempimento 1 che l’associata valvola di ricircolo 1’ sono chiuse: tale situazione si verifica quando la valvola 1 viene abbassata sulla bottiglia 20 prima della fase di riempimento.
In Figura 8b la valvola di riempimento 1 à ̈ aperta mentre la valvola di ricircolo 1’ à ̈ chiusa: tale situazione si verifica durante le fasi di riempimento e di ricircolo in bottiglia.
In Figura 8c la valvola di riempimento 1 à ̈ chiusa mentre la valvola di ricircolo 1’ à ̈ aperta: tale situazione si verifica durante la fase di riscaldamento e durante un prolungato fermo macchina quando le valvole di riempimento sono sganciate dalle bottiglie;
In Figura 8d sia la valvola di riempimento 1 che la valvola di ricircolo 1’ sono aperte: tale situazione si verifica durante gli arresti prolungati dell’impianto. E’ necessario, infatti, attivare tanto la fase di ricircolo in valvola, per evitare un raffreddamento del sistema e in particolare del prodotto presente in prossimità delle valvole chiuse in attesa di essere imbottigliato, quanto la fase di ricircolo in bottiglia per evitare che il prodotto presente nelle bottiglie già riempite si raffreddi prima della tappatura, evento che richiederebbe lo scarto delle bottiglie stesse. Tenendo aperta anche la valvola di ricircolo 1’ si evitano sollecitazioni tali da compromettere la stabilità dimensionale delle bottiglie o contenitori dal momento che l’elevata temperatura tende a ridurne la resistenza.
Durante le fasi di sanificazione l’apertura degli otturatori 4, 10 potrà essere differita ed intermittente in modo da lavare ogni circuito interessato dal prodotto in modo efficiente.
La Figura 9 illustra un impianto di riempimento di bottiglie comprendente una giostra di riempimento 40 provvista di una o più valvole di riempimento 1 secondo la presente invenzione.
Vantaggiosamente, per migliorare la qualità del prodotto finale, la regolazione della quantità di prodotto ricircolato in bottiglia, al fine di minimizzarne di volta in volta il quantitativo a seconda del tipo di prodotto, del tipo di bottiglia e della cadenza di produzione, à ̈ determinata dal ritardo di apertura della valvola di riempimento 1 lungo la giostra di riempimento 40, essendo fissato il punto di chiusura della valvola 1 lungo detta giostra.
Pertanto, fissata la posizione del pattino di chiusura della valvola 1 lungo il perimetro della macchina, la posizione del pattino di apertura della valvola 1 viene determinata di volta in volta per ogni prodotto e/o formato da riempire.
In pratica, il punto di apertura della valvola 1 lungo la giostra 40 viene determinato a ritroso partendo dal punto fisso di chiusura e in modo tale da consentire il completo riempimento della bottiglia ed una completa evacuazione della schiuma formatasi durante il riempimento stesso; in questo modo la percentuale di prodotto ricircolato viene ridotta al minimo possibile.
In Figura 10 à ̈ riportato uno schema della giostra di riempimento 40 in cui sono illustrati: la stella di carico 50 e la stella di scarico 51 dei contenitori; la posizione predeterminata del punto di chiusura 52 della valvola di riempimento; la posizione (variabile) del punto di apertura 53 di detta valvola; l’angolo Y di riempimento, corrispondente all’arco di giostra lungo il quale il contenitore viene completamente riempito; l’angolo X di ricircolo, corrispondente all’arco di giostra lungo il quale avviene il ricircolo del prodotto in bottiglia per l’eliminazione della schiuma; l’angolo Z corrispondente all’arco lungo il quale agisce una camma per l’alzata e la discesa della valvola 1; e l’angolo K pari a (360°-X-Y-Z) che determina la posizione di apertura 53 della valvola 1.
Fissato una percentuale massima del 10% di prodotto ricircolato, come valore massimo tollerato per non compromettere le qualità organolettiche del prodotto imbottigliato ed indicata con “Q†la portata di prodotto uscente dalla valvola 1 durante la fase di riempimento (angolo Y) e con “q†la portata di prodotto uscente dalla valvola 1 durante la fase di ricircolo (angolo X), l’angolo massimo X di macchina in cui il prodotto ricircola à ̈ pari a Xmax= 0,1*Y*(Q/q).
Conoscendo da prove in laboratorio il tempo di riempimento per un determinato prodotto in una determinata bottiglia si ottiene l’angolo della macchina interessato dalla fase di riempimento (angolo Y), e conoscendo il rapporto Q/q delle portate in riempimento e in ricircolo della singola valvola si ricava in tal modo l’angolo massimo X della macchina interessato dalla fase di ricircolo, e quindi l’angolo K e la posizione di apertura 53.
In pratica, la percentuale di ricircolo sarà più prossima al valore massimo per bottiglie piccole (esempio: 500 ml) con collo stretto e con prodotto ad alto contenuto di polpe (esempio: prodotto 100% succo), mentre sarà più prossimo al valore minimo per bottiglie grandi (esempio: 2000 ml) con collo largo e con prodotto limpido (esempio: bevanda isotonica).
In generale, il punto di apertura della valvola sarà più prossimo alla stella di carico 50 quanto più lungo à ̈ il tempo di riempimento.
Claims (15)
- RIVENDICAZIONI 1. Valvola di riempimento per riempire contenitori comprendente - un corpo valvola (2) definente al suo interno un volume per il passaggio di un liquido di riempimento e provvisto di un foro per l’immissione di detto liquido in uno di detti contenitori, - un primo otturatore (4) di detto foro, scorrevole all’interno del corpo valvola (2), in cui detto primo otturatore (4) à ̈ provvisto ad una sua prima estremità di un elemento di tenuta (16) idoneo a chiudere a tenuta il foro e configurato in modo da definire, in cooperazione con un fondo del corpo valvola (2), un sifone (5) tra detto volume e detto foro, ed in cui in detto foro à ̈ alloggiato un elemento di deflessione (6) del liquido, configurato in modo da conferire al liquido che lo attraversa una componente rotazionale che permette al liquido stesso di aderire alle pareti del contenitore durante la fase di riempimento, detto elemento di deflessione (6) essendo fissato solidalmente e direttamente a contatto con detta prima estremità del primo otturatore (4).
- 2. Valvola di riempimento secondo la rivendicazione 1, in cui detto elemento di deflessione à ̈ uno swirler (6) provvisto di una pluralità di condotti elicoidali (13).
- 3. Valvola di riempimento secondo la rivendicazione 2, in cui detto swirler (6) può avere inviluppo esterno conico o cilindrico.
- 4. Valvola di riempimento secondo la rivendicazione 2, in cui lo swirler (6) presenta eliche aventi un passo pari a circa 1,5÷2,5 volte l’altezza dello swirler stesso.
- 5. Valvola di riempimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto swirler (6) à ̈ disposto completamente all’interno del corpo valvola (2).
- 6. Valvola di riempimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto swirler (6) à ̈ montato su una prima porzione di un elemento tubolare (17), fissato solidalmente ad una sua prima estremità al primo otturatore (4), e la lunghezza di detto elemento tubolare (17) à ̈ tale che la sua seconda estremità à ̈ idonea ad estendersi all’interno di un contenitore da riempire solo per tratto corrispondente ad una porzione del collo del contenitore.
- 7. Valvola di riempimento secondo la rivendicazione 6, in cui, adiacente a detta prima porzione, l’elemento tubolare (17) presenta una seconda porzione (18) avente un profilo caratterizzato da un primo tratto convergente ed un secondo tratto divergente verso l’asse del condotto di evacuazione (8).
- 8. Valvola di riempimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il fondo del corpo valvola (2) à ̈ provvisto di una sporgenza anulare (19) che definisce, in cooperazione con l’elemento di tenuta (16) a forma di cappello, detto sifone (5).
- 9. Valvola di riempimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui nel primo otturatore (4) à ̈ integrato un condotto di evacuazione (8) per l’evacuazione di aria contenuta nel contenitore durante la fase di riempimento e per il ricircolo del liquido a fine riempimento, e l’elemento tubolare (17) definisce una estensione di detto condotto di evacuazione (8) comprendente una sezione di imbocco (14).
- 10. Valvola di riempimento secondo la rivendicazione 9, in cui in opera detta sezione di imbocco (14) à ̈ disposta ad una quota più alta rispetto alla quota di una sezione di sbocco (13) prevista all’esterno della valvola di riempimento in prossimità di un condotto di recupero (12) per recuperare liquido ricircolato.
- 11. Valvola di riempimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il corpo valvola (2) à ̈ provvisto di un condotto di ingresso (3) per il liquido di riempimento ed à ̈ prevista una valvola di ricircolo (1’), agente in cooperazione con detto corpo valvola (2), comprendente un secondo otturatore (9) con un rispettivo attuatore (10), avente la duplice funzione di consentire il ricircolo nella valvola di riempimento, durante le fasi di riscaldamento e di mantenimento in temperatura a impianto fermo, e di drenare completamente il sifone (5) al termine di procedure di lavaggio.
- 12. Valvola di riempimento secondo la rivendicazione 11, in cui a detta valvola di ricircolo (1’) à ̈ associato un condotto di ricircolo (8’) connesso con detto condotto di recupero (12).
- 13. Valvola di riempimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il primo otturatore (4) à ̈ azionabile da un rispettivo attuatore (7) integrato all’interno di un carrello (11) per movimentare la valvola di riempimento (1).
- 14. Impianto di riempimento di contenitori comprendente una o più valvole di riempimento secondo la rivendicazione 1.
- 15. Metodo di riempimento di un contenitore con un liquido di riempimento mediante una valvola di riempimento (1) secondo le rivendicazioni da 1 a 13, comprendente le fasi di: - riscaldare il corpo valvola (2) della valvola di riempimento (1) mediante un passaggio nel volume di detto corpo valvola (2) prima di acqua calda e poi di liquido di riempimento ad una predeterminata temperatura, mantenendo in posizione di apertura il secondo otturatore (10) ed in posizione di chiusura il primo otturatore (4); - portare il secondo otturatore (10) in posizione di chiusura; - portare il primo otturatore (4) in posizione di apertura e riempire il contenitore (20) con il liquido di riempimento fino a raggiungere un volume di liquido imbottigliato corrispondente ad un livello determinato dalla posizione della sezione di imbocco (14) del condotto di evacuazione (8), con conseguente evacuazione di aria attraverso detto condotto di evacuazione; - continuare a riempire il contenitore (20) in modo da far ricircolare il liquido di riempimento nel contenitore con conseguente evacuazione di una porzione di detto volume di liquido imbottigliato attraverso il condotto di evacuazione (8); - portare il primo otturatore (4) in posizione di chiusura ad un predeterminato istante tale che detta porzione di volume sia pari al massimo al 10% del volume di liquido imbottigliato.
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