MIDA17.pdf

Sisteme de dozare şi ambalare

5.4. Maşini de ambalat sub vid în pungi din material plastic termosudabil termosudabil 5.4.1. Procesul de lucru şi parametrii principali

Păstrarea produselor alimentare o perioadă  mai mare de timp presupune eliminarea tuturor factorilor care conduc la deprecierea calităţii acestora, în special, a mucegaiurilor şi microbilor. Dezvoltarea mucegaiurilor, microbilor şi microorganismelor se produce, de obicei,  în prezenţa oxigenului din aer. De aceea, producătorii şi comercianţii de produse alimentare sau de natură  farmaceutică  practică, astăzi, ambalarea acestora sub vid, în pungi din material plastic termosudabil, menţinându-se astfel calitatea produselor un timp mai îndelungat în condiţiile în care se mai asigură şi alte cerinţe legate, în general, de temperatură, lumină, umiditate. Maşinile de ambalat sub vid au o construcţie simplă, cu fiabilitate ridicată, fiind alcătuite dintr-o carcasă metalică din oţel inoxidabil, în interiorul căreia se află o pompă de vid şi circuitul pneumatic aferent acesteia, în vederea realizării vacuumului necesar în camera de vidare (vacuumare). Schema constructivă şi părţile componente ale unei maşini de ambalat sub vid arată ca în fig.5.15, [31].

Fig.5.15. Schema constructivă a maşinii de ambalat sub vid, [31]

1.carcasă metalică; 2.incintă de vidare; 3.capac; 4.vizor din material plastic; 5.pung ă cu produs; 6.capete de sigilare; 7.panou electric; 8.membran ă elastică; 9.transformator; 10.releu de putere; 11.electro-pomp ă de vacuum; 12.comutator magnetic; 13.balama cu resort.

Instalaţia electrică a maşinii permite reglarea corespunzătoare a parametrilor regimului de lucru şi memorarea acestora în cadrul mai multor programe, pentru a fi utilizaţi la nevoie, în funcţie de proprietăţile fizico-mecanice şi chimice ale produselor ambalate. Astfel pot fi reglate: presiunea interioară finală din camera de vidare, în limitele 0 - 999 mbari; timpul de evacuare (de introducere a aerului în camera de vacuumare după ce punga a fost sudată) şi timpul de sudare (sigilare) a pungii. 117

Sisteme şi maşini specifice de ambalare a produselor Funcţionarea maşinii este la fel de simplă ca şi construcţia acesteia şi poate fi urmărită pe schema din fig.5.16, [31].

Fig.5.16. Schema funcţională a maşinii de ambalat sub vid, [31]

1.incintă de vidare; 2.orificiu de aspira ţie; 3.rezistenţă de sigilare; 4.membrană elastică; 5.conductă de vacuum; 6.distribuitor acţionare cap de sudare; 7.drosel; 8.distribuitor comandă vacuumare; 9.filtru; 10.distribuitor comandă deschidere capac; 11.circuit pneumatic; 12.pompa de vid

După pornirea maşinii şi încărcarea unuia din programele de vacuumare memorate, punga cu material poate fi introdusă  în interiorul camerei de lucru în vederea vidării şi sigilării. Prin menţinerea apăsată  a capacului circa 2-3 secunde, acesta rămâne închis datorită  depresiunii din interior. Etanşarea capacului şi, deci, a camerei de vidare se realizează printr-o garnitură tubulară din cauciuc siliconic. După atingerea presiunii finale h , în interiorul camerei de vidare, respectiv în pungă, sesizată prin traductorul de presiune T p (fig.5.16), blocul de control comandă distribuitorul pneumatic D 3 pentru sigilarea pungii. Prin acţionarea acestui distribuitor, aerul atmosferic ajunge în partea inferioară  a membranei elastice 4 a capului de sudare inferior. Sub acţiunea diferenţei de presiune între cele două feţe ale membranei (vacuum în partea superioară şi presiune atmosferică  în partea inferioară), centrul rigid al acesteia deplasează în sus capul de sudare, presând marginile pungii pe capul de sudare superior (care este fix). În acest moment rezistenţa electrică R s  a capului de sudare inferior este conectată  la circuitul electric pe perioada de timp cât a fost programată şi cele două margini ale pungii vor fi sudate. Punerea în funcţiune a rezistenţei de sigilare este condiţionată, prin program, de realizarea vacuumului în interiorul incintei de vidare şi apropierea prin apăsare a celor două capete de sudare (care prind între ele marginile pungii). După terminarea perioadei de sigilare se deconectează rezistenţa de sigilare R s şi apoi se încetează  comanda distribuitorului D 3  pentru sigilarea pungii, creîndu-se din nou vacuum sub membrana elastică 4 care revine la poziţia iniţială sub acţiunea unui resort. Imediat ce marginile pungii au fost sigilate, circuitul pneumatic este modificat prin blocul de control al instalaţiei care comandă  distribuitorul D 4 şi în camera de vidare pătrunde aer la presiune atmosferică care duce la ridicarea automată a capacului printr-un 118

Sisteme de dozare şi ambalare mecanism cu resort elicoidal. Pătrunderea aerului în incinta de vacuumare are loc într-o perioadă  de timp (timp de evacuare) mai mare sau mai mică, în funcţie de reglajul rezistenţei pneumatice (drosel) 7, prin care se comandă pneumatic distribuitorul D 2. Maşinile de ambalat sub vid permit chiar şi ambalarea de lichide calde (supe, sosuri) la temperaturi între 40 – 80oC, în acest caz presiunea finală  (de vacuumare) reglându-se la valori mai mari (65-200 mbari), în timp ce la produsele solide presiunea finală este mai mică (5 mbari la carne). Capul de sudare inferior (care este mobil) poate fi alcătuit din două fire de nichelină amplasate pe un suport din teflon sau stearit. Distanţa dintre cele două  fire trebuie să permită  detaşarea surplusului de material al pungii fără  ca în pungă să pătrundă  aer. În acest sens, poate fi făcută diferenţierea şi la trecerea curentului electric prin cele două fire. În tabelul 5.1 sunt prezentate unele caracteristici tehnice principale ale câtorva maşini de ambalat sub vid, [31,32]. Tabelul 5.1 Caracteristicile tehnice principale ale unor maşini de ambalat sub vid Caracteristica KOMET MULTIVAC VC 999 SD220 SD620 X200 S500 C100 A300/16 A300/51 A300/64 K1 06 07P 09 masinii Dimensiunile 480x635 820x820 415x505 830x540 330x310 490x380 450x430 450x485 988x450 310x360 950x450 450x515 camerei de x180 x240 x160 x180 x120 x150 x160 x160 x180 x150 x180 x180 vacuumare (mm) Lungimea de 2x465 2x750 1x415 + 2x650 + 2x450 410 320 480 2x440 2x440 355 430 (4x465) (4x750) 1x750 1x950 1x950 sigilare (mm) Dimensiunile 450x600 730x800 400x500 450x800 H=280 pungii (mm) Timp de vidare 8-16 18 18 18 până la 2 mbari Debitul pompei de 63 / 100 100 220/ 21 63/100 10 21 63 63/100 20 220 40 2x220 vacuum (m3 /h) Depresiunea 2 mbar 1 mbar 1 mbar 1 mbar maxima Alimentare 230/380 230/380 230/380 230/380 220 220 3x380 3x380 3x380 220 3x380 3x380 50 Hz 50 Hz 50 Hz 50 Hz 50Hz 50Hz 50Hz 50Hz 50Hz 50Hz 50Hz 50Hz electrică (V) Puterea instalata 1,5/2,2 5,5 0,75 1,5/2,2 0,55 0,75 1,6 1,6/- 10/11,5 1,9 9 2,5 (kW) 1035x 1770x 1440x 1240x Dimensiuni de 450x610 650x900 400x510 560x525 680x585 620x400 660x600 750x 1000x 810x 780x x470 x1050 x365 x365 x1320 x575 x600 gabarit (mm) x1080 1100 x1690 x1100 750/1000 75/100 190 280 60 165 610 115/145 Masa (kg)

Pentru ambalarea sub vid se utilizează pungi din material plastic transparent (şi mai puţin opac) cu grosimi din cele mai diferite, însă cele mai uzuale sunt în limitele 0,070 – 0,2 mm. Materialul plastic utilizat la confecţionarea acestor pungi poate fi PE, PP, PA, PS, PET, în strat simplu sau multistrat, cu absorbţie mică  de umiditate şi gaze şi rezistenţă corespunzătoare la acţiunea agenţilor chimici. Temperatura de sudare a acestor materiale poate ajunge până la 200oC, sau chiar mai mult, în funcţie de grosimea pungii. Timpul de sudare depinde de proprietăţile fizico-mecanice ale materialului pungii şi grosimea acestuia şi se determină de cele mai multe ori experimental (1-3 secunde). Astfel, pot fi utilizate pungi din OPALEN 75E, PAO/PE, PETM/PE sau PETXL/PE, alcătuite din două  straturi: unul subţire din poliamidă, poliamidă  orientată  sau poliester metalizat (12-15 µm) şi unul din polietilenă (60-70 µm), cu masa specifică 72-87 g/m2, care prezintă următoarele permeabilităţi: 3-50 cm3 /m2 în 24 ore la 23oC – oxigen; 1-15 cm3 /m2  în 24h la 23oC – azot; 1,5-2,6 g/m2 în 24h la 23oC – vapori de apă şi 12-200 cm3 /m2 în 24h la 23oC – acid carbonic.

119

Sisteme şi maşini specifice de ambalare a produselor Aceste materiale prezintă o elongaţie de 30 – 300% pe direcţie longitudinală şi 40– 400% pe diagonală şi au o temperatură de sigilare între 110-160oC. 5.4.2. Elemente de calcul la pompa de vid din alc ătuirea maşinilor de ambalare Debitul pompei de vid cu palete radiale.   Pompa de vid de la instalaţiile de ambalare este destinată  extragerii aerului din camerele de vidare a pungilor din material plastic şi din pungi, precum şi din recipientele şi rezervoarele de lichid ale instalaţiilor de

 îmbuteliere a lichidelor. Totodată, se utilizează şi la termoformarea ambalajelor de tip casolete din material plastic, în cadrul instalaţiilor complexe de dozare şi ambalare. Cele mai utilizate pompe de vacuum sunt cele cu palete, radiale sau tangenţiale, în funcţie de presiunea sau depresiunea ce se doreşte a fi obţinută. Cele cu palete radiale pot lucra la presiuni (depresiuni) de lucru mai mari (fig.5.17). Pompa cu palete radiale este construită sub forma unui rotor cu palete, prevăzut cu patru (sau mai multe) canale în care glisează paletele, rotorul fiind dispus excentric faţă de axa statorului. Incinta statorului este pusă  în legătură  cu conductele de aspiraţie şi de refulare, [1,8]. 2 3 4 5

1 Fig.5.17. Schema constructivă a pompei de vid cu palete radiale, [8]

1.stator; 2.rotor; 3.palete din textolit; 4.conduct ă de aspiraţie; 5.conductă de refulare

Prin învârtirea rotorului (paletelor) cu viteza unghiulară ω, se observă că  celula A, dintre două palete vecine, se măreşte imediat ce paletele depăşesc orificiul de aspiraţie, iar aerul se destinde creându-se astfel o depresiune care face ca aerul să pătrundă în stator. In zona mediană aerul din celula Ac se găseşte în echilibru, camera fiind izolată. In zona B, camera (celula) îşi micşorează volumul, presiunea din interior începe să crească, iar aerul este obligat să iasă prin conducta de evacuare. Calculul pompelor de vacuum cu palete radiale urmăreşte s ă stabilească debitul de aer necesar pe care urmează s ă-l realizeze pompa (aerul care trebuie extras sau introdus  în incintele de vidare) şi condiţiile de realizare a forţelor (sau valorilor de depresiune) necesare. Ca ipoteză de calcul se consideră că destinderea sau comprimarea aerului are loc izoterm. Debitul pompei poate fi calculat cu ajutorul relaţiei, [1,8]: Q p =  Ac ⋅ l ⋅ n ⋅ z ⋅ λ    [ m 3 / min] (5.40)  în care: Ac este aria celulei de echilibru (m2); l – lungimea rotorului (m); n – turaţia rotorului cu palete (rot/min); z – numărul de palete; λ - coeficientul pierderilor (λ=0,8-0,9). Aria celulei de echilibru poate fi determinată utilizând schema de calcul din fig.5.18. 120

Sisteme de dozare şi ambalare

β

O2 e

O1

Fig.5.18. Schemă de calcul pentru aria celulei de echilibru a pompei de vid, [8]

Astfel: unde:

 Ac =  A1 +  A 2 − A3

(5.41)

 A1 =  A< O  AB −  A∆ O  AB − A x 2 2  A2 =  A∆O  AB −  A< O  A' B '  + A x

(5.42)

1

1

(5.43)

A3 – aria ocupată de palete Având în vedere relaţiile (5.42) şi (5.43), conform figurii se poate scrie: ϕ  ϕ  ϕ  (5.44)  A1 = π  ⋅ r 22 2 − r 2 sin   2 r 2 cos 2 −  A x 2π  2 2 ϕ  ϕ  ϕ   A2 = r 1, sin 1 r 1, cos   1 − π  ⋅ r 12 1 +  A x (5.45) 2 2 2π   A3 = r 1, −   r 1 ⋅ s (5.46) unde: s este grosimea unei palete; r1  – raza exterioară  a rotorului; r2  – raza interioară a statorului; r1’ – distanţa de la centrul rotorului la stator; ϕ1  – unghiul la centru între două palete; ϕ2 – unghiul dintre razele statorului duse la extremităţile paletelor. Distanţa de calcul r1’ se determină aplicând teorema sinusului în triunghiul ∆O1O2B: r 2

sin

ϕ 1

=

2

r 1,

e

  =   ϕ 2   sin β  sin  π  −  2    

(5.47)

unde:  β  =

ϕ 1 − ϕ 2  

(5.48)

2

În practică se utilizează, de obicei, următoarele relaţii între parametrii constructivi ai paletei: s = 0,082.r2; r1 = 0,89.r2; s = 0,11.r2; A ≅ 0,315.r22; l = 2,74.r2. Din relaţia (5.47) rezultă: 121

Sisteme şi maşini specifice de ambalare a produselor

r 1, = r 2

ϕ 2

sin

  2 ϕ 1

sin

(5.49)

2

Înlocuind în relaţia lui Ac (5.41) şi grupând termenii, se obţine: ϕ      ϕ    ϕ 1   2  cos cos 2   sin 2  2 2 ϕ 2   r 2 ϕ 2 − r 1 ϕ 1 2   2 2 2  −  r 2  Ac = (5.50) + r 2  sin − − r 1 .s     ϕ  ϕ  ϕ  2 2         1 sin 2   sin 1  sin      2 2     2 Cunoscându-se Ac, poate fi determinat debitul Qp  al pompei. Dimensionarea şi poziţionarea corectă a ferestrelor de admisie şi evacuare a aerului se fac astfel încât să se păstreze viteza curentului de aer din conducta principală a instalaţiei:  Aad  =

respectiv:

Q p

[ ]

  m2

vev h

vev =

 p − h

(5.51)

QT 

 Acv

  [m / s]

(5.52)

unde: vev  este viteza de circulaţie a aerului în conducta de vacuum; QT  – debitul de aer necesar a fi extras din instalaţie; Acv  – secţiunea conductei principale de vacuum; h – depresiunea de regim; p – presiunea atmosferică. Se ştie, însă, că secţiunea conductei de admisie este: Aad = π.d2 /4, de unde se deduce diametrul conductei (orificiului) de admisie: d a =

4 Aad 

= 1,128 Aad   

(5.53)

π  Fereastra de evacuare se dimensionează  pentru o viteză  mai redusă  a aerului, pentru a rezulta o presiune mai mare la refulare. Din motive constructiv – funcţionale şi pentru a folosi pompa şi la crearea de suprapresiune, se alege de=da, iar axa orificiului de admisie se dispune simetric cu cea a orificiului de refulare. Lungimea zonei despărţitoare între cele două  ferestre (orificii) trebuie să  fie mai mare decât lungimea arcului dintre două palete consecutive: (5.54)  L p > ϕ 1  r 2 unde ϕ1 se ia în radiani. O exploatare raţională a pompei se asigură atunci când este îndeplinită condiţia: Q p ≥ Q T  (5.55) unde QT este debitul de aer necesar a fi extras din instalaţie în cazul în care instalaţia are legătură cu exteriorul printr-un orificiu de secţiune mai mică decât orificiul de evacuare. Puterea necesar ă acţionării pompei. Rezistenţele care trebuie învinse de palete  în timpul rotirii lor sunt datorate diferenţei de presiune care apare în faţa şi în spatele

paletelor. Se presupune o paletă în poziţie verticală (vezi figura de mai jos). Puterea necesară acţionării este: P=

 M t 

η m

 

(5.56)

W 

122

Sisteme de dozare şi ambalare unde: Mt  este momentul rezistent al rotorului cu palete (N.m); ω - viteza unghiulară a rotorului (s-1); ηm  – randamentul mecanic al transmisiei la arborele rotorului. Momentul Mt poate fi determinat cu relaţia:  M t  =  M 1 +  M 2 (5.57)  în care: M1  este momentul rezistent datorat presiunii aerului, iar M2  – momentul rezistent datorat frecării paletelor cu carcasa. Momentul rezistent datorat presiunii aerului se calculează cu relaţia:  M 1 = 2eRmed l. ∆ p [ Nm] (5.58)  în care: ∆p este diferenţa de presiune pe cele două fe ţe ale paletei; l – lungimea paletei (a rotorului); Rmed – raza rezultantei dintre forţa de rezistenţă a aerului şi forţa de frecare: sau  Rmed  = r 1 + e v2 + eo2 (5.59) unde: ev este excentricitatea verticală a rotorului, iar eo – excentricitatea orizontală. Tinând seama de expresiile lui Rmed şi e, în urma înlocuirii în relaţia (5.58) se obţine: (5.60)  M 1 = 2r 2 (r 2 − r 1 ) ⋅ l .∆ p [ Nm] Momentul datorat forţelor de frecare M2 poate fi determinat cu relaţia: 2  M 2 = ( µ F c ) R' m =  µ m   p zRmed ω  R' m (5.61)  în care: mp  este masa unei palete; z – numărul paletelor; µ  – coeficient de frecare între palete şi carcasă (µ=0,05-0,1 pentru cuplul de materiale textolit – fontă, cu ungere); , r 1 + r 1  R ' m = ; m p = l.b. s. (5.62)  Rmed  = r 1 +  e

2

In poziţia din figură a paletei, avem: R’m=Rmed, de unde rezultă: 2  M 2 =  µ m p zRmed ω    2 [ Nm]

(5.63)

Parametrii de baz ă ai pompelor de vid  sunt: presiunea limită, presiunea iniţială, presiunea critică sau presiunea maximă de refulare, viteza de acţiune şi debitul nominal. a. Presiunea limită p o   reprezintă presiunea minimă care se poate atinge cu pompa. Aceasta se referă  numai la gazele (aerul) reziduale, deoarece prin extragerea acestora, pompa introduce în recipient alte gaze sub formă  de vapori, în special din lichidul de

ungere, [1] b. Presiunea iniţială reprezintă presiunea din recipient de la care pompa începe să lucreze normal. În cazul în care presiunea în recipient este mai mare decât presiunea iniţială a pompei, presiunea limită nu poate fi atinsă. c. Presiunea critică este presiunea de la orificiul de evacuare al pompei care dacă este depăşită, pompa nu mai lucrează normal. d.  Viteza de acţiune S p (m3 /s) reprezintă  volumul gazului evacuat de pompă, în unitatea de timp, la presiune constantă. e.  Debitul pompei Q   (kg/s) este definit prin cantitatea de substanţă  gazoasă evacuată în unitatea de timp. Pentru un recipient de aer legat la pompă  prin intermediul unei conducte de legătură, diferenţa de presiune (p 1-p 2; p 2