Сатурационный канал для смешивания газа и напитка и способ сатурации - RU2725437C2

Чертежи

Показать все 8 чертежа(ей)

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к сатурационному каналу и способу сатурации. А именно, настоящее изобретение относится к сатурационному каналу и способу сатурации, позволяющим повысить растворимость газа в напитке.

Способы сатурации и сатурационные каналы, известные в данной области, неизбежно обуславливают поддержание постоянного давления в сатурационном котле с целью сохранения постоянного объема СО₂ в напитке.

Причина в том, что в способах сатурации и сатурационных каналах, известных в данной области, все переменные: (i) температура напитка, (ii) расход напитка, (iii) расход СО₂ во впускной части сатурационного канала и (iv) конфигурация сатурационного канала связаны друг с другом и обуславливают постоянство величины объема СО₂ в напитке.

В способе сатурации, предлагаемом в настоящем изобретении, когда напиток поступает в сатурационный котел, и давление внутри котла начинает расти (принимая во внимание, что выпускной клапан котла закрыт), приращение давления регулируют путем управления расходом СО₂ (регулируемого закрытия) в сатурационном канале, плавно регулируя степень открытия клапана.

С другой стороны, в предлагаемом способе, если давление в котле уменьшается, то падение давления компенсируют путем увеличения расхода СО₂, подаваемого в сатурационный котел.

Другими словами, если давление в котле увеличивается, клапан плавного регулирования закрывают (расход СО₂ в трубке Вентури уменьшается). В обычных способах, известных в данной области, когда давление в котле увеличивается, СО₂ выбрасывают в атмосферу.

В соответствии со способом настоящего изобретения, СО₂ не выбрасывают, все изменения давления в котле непрерывно компенсируют путем управления расходом СО₂ в сатурационном канале сатурационного котла.

Кроме того, в предлагаемом сатурационном канале, в области, расположенной рядом с узлом впуска газа, используется турбулизатор, обеспечивающий эффективное турбулентное движение между напитком и СО₂.

В уже известных каналах для создания области высокого давления с целью смешивания СО₂ и напитка используются насосы высокого давления. Кроме того, в этих каналах происходит процесс, в соответствии с которым для достижения заданного объема СО₂ требуется несколько стадий, что приводит к получению слишком взболтанного напитка, из-за чего процесс розлива напитка становится неэффективным.

Кроме того, в известных сатурационных каналах площадь канала уменьшается подобно бутылочному горлу. В соответствии с настоящим изобретением, площадь канала уменьшается за счет введения в канал детали из нержавеющей стали, обеспечивающей увеличение площади контакта между напитком и газом.

Если расход напитка поддерживается постоянным, а площадь сатурационного канала уменьшается, скорость напитка по мере прохождения через суженную область увеличивается. Следовательно, если кинетическая энергия увеличивается, энергия, определяемая величиной давления, значительно уменьшается.

Из-за падения давления в суженной области сатурационного канала, предлагаемого настоящим изобретением, возникает разрежение. Этот принцип используется в предлагаемом сатурационном канале для введения в канал СО₂.

Несмотря на то, что падение давления благоприятствует перемешиванию между газом и напитком, для улучшения перемешивания и обеспечения высокой эффективности способа в предлагаемом сатурационном канале, в суженной области канала, используется турбулизатор.

Одно из основных преимуществ предлагаемого сатурационного канала обеспечивается тем, что разность давлений между впуском и выпуском сатурационного канала лежит в диапазоне от 10% до 20%. Это означает, что давление на впуске канала, равное 2,0 кг/см², на выпуске канала снижается до величины от 1,6 кг/см² (максимальное уменьшение) до 1,8 кг/см² (минимальное уменьшение). В обычных известных каналах разность давлений может достигать 50%.

Кроме того, эффективность предлагаемого сатурационного канала позволяет не использовать стадии гомогенизации после сатурации, требующиеся в некоторых способах и системах сатурации, известных в данной области.

Другим преимуществом сатурационного канала является то, что он обеспечивает оптимальное растворение СО₂ в воде, при котором сводится к минимуму потребление СО₂.

Кроме того, предлагаемый сатурационный канал в очень малой степени влияет на кинетическую энергию газа, растворенного в напитке. Следовательно, сводится к минимуму вспенивание напитка во время розлива.

Другим преимуществом предлагаемого настоящим изобретением сатурационного канала является отсутствие необходимости в использовании расходомера для регулирования расхода газа в процессе сатурации; тем не менее, процесс сатурации является эффективным.

Кроме того, в способе сатурации используется сатурационный котел, внутри которого отсутствуют какие-либо кольца, пластины или любое другое оборудование. В заявляемом способе сатурационный котел используется только для повышения растворимости газа.

Кроме того, в заявляемом способе не происходит выброса газа, поскольку газ, не растворившийся в напитке, извлекают для повторного использования в данном способе.

Кроме того, в сатурационном канале скорость напитка, поступающего в канал, используется для создания необходимого для сатурации напитка разрежения, так что давление газа в узле впуска газа относительно низкое.

Заявляемый способ дополнительно обеспечивает возможность рециркуляции напитка для увеличения или уменьшения объема газа.

Кроме того, в соответствии с предлагаемым способом, если температура напитка увеличивается, возрастает скорректированное давление (давление, необходимое для установления заданного объема газа в напитке), и для поддержания постоянного объема СО₂, растворенного в напитке, СО₂ добавляют в котел (повышая давление в котле).

В качестве альтернативы, если температура напитка уменьшается, величина скорректированного давления также уменьшается, и для поддержания заданного количества газа в напитке расход СО₂ в сатурационном канале уменьшают.

Благодаря указанной корректировке, способ позволяет уравнять величину скорректированного давления и внутреннего давления сатурационного котла.

В обычных способах, известных в данной области, корректировку, обусловленную колебаниями температуры напитка, выполняют путем выброса СО₂ в атмосферу, чего не происходит в соответствии с предлагаемым способом, в котором выброс СО₂ отсутствует.

ЦЕЛИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Первой целью настоящего изобретения является обеспечение сатурационного канала, предназначенного для увеличения растворимости газа в напитке.

Второй целью является обеспечение способа сатурации, отличающегося уменьшенными потерями газа на всех стадиях способа.

Третьей целью является обеспечение конструкции узла впуска газа и узла впуска напитка, обуславливающих интенсификацию перемешивания напитка и газа.

Еще одной целью является обеспечение в сатурационном канале турбулизатора, при этом, турбулизатор включает завихрительную стенку, обуславливающую улучшение растворение газа в напитке по сравнению с решениями известного уровня техники.

Дополнительной целью настоящего изобретения является обеспечение сатурационного канала с тремя четко выраженными частями.

Дополнительной целью является обеспечение способа сатурации, предусматривающего корректировку изменения давления в сатурационном котле путем регулируемого управления расходом СО₂, поступающего в сатурационный канал, и расхода СО₂, поступающего в сатурационный котел.

Дополнительной целью является обеспечение способа сатурации, предусматривающего корректировку изменения температуры напитка путем регулируемого управления расходом СО₂, поступающего в сатурационный канал, и расходом СО₂, поступающего в сатурационный котел.

Кроме этого, еще одной целью является обеспечение способа сатурации, не предусматривающего выброс СО₂ в атмосферу для компенсации изменений давления в сатурационном котле и изменений температуры напитка.

Дополнительной целью является обеспечение способа сатурации и сатурационного канала, которые позволяют поддерживать постоянный объем растворенного в напитке СО₂ путем регулирования расхода СО₂, добавляемого в сатурационный котел и в сатурационный канал.

Дополнительной целью является обеспечение способа сатурации, предусматривающего повторную подачу сатурированного напитка в сатурационный котел с целью увеличения или уменьшения объема СО₂ в напитке.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цели настоящего изобретения достигаются посредством сатурационного канала, предназначенного для смешивания газа и напитка, каковой сатурационный канал включает: трубчатый элемент, окружающий компрессионный элемент, при этом, компрессионный элемент расположен продольно внутри трубчатого элемента, и определяющий траекторию потока напитка вдоль сатурационного канала.

Компрессионный элемент имеет наружные диаметры, последовательно определяющие образование участка схождения, участка смешивания и участка замедления вдоль сатурационного канала, при этом, на участке схождения сатурационный канал включает узел впуска газа, предназначенный для введения газа в траекторию. Трубчатый элемент обуславливает наличие турбулизатора, определяющего диаметр перемешивания сатурационного канала.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Настоящее изобретение поясняется в соответствии с предпочтительными вариантами его осуществления, показанными на чертежах, на которых:

На фиг. 1 показана блок-схема, отражающая сатурационный канал, соответствующий настоящему изобретению;

Фиг. 2 представляет собой вид в поперечном сечении сатурационного канала, соответствующего настоящему изобретению;

Фиг. 3 представляет собой вид в поперечном сечении наружного элемента сатурационного канала;

Фиг. 4 представляет собой вид в поперечном сечении внутреннего элемента сатурационного канала;

Фиг. 5 представляет собой вид в поперечном сечении участка схождения сатурационного канала;

Фиг. 6 представляет собой дополнительный вид в поперечном сечении участка схождения сатурационного канала;

Фиг. 7 представляет собой вид в поперечном сечении предлагаемого сатурационного канала, поясняющий поток газа на входе в сатурационный канал; и

Фиг. 8 представляет собой перспективный вид c сечением узла впуска газа сатурационного канала, соответствующего настоящему изобретению;

На фиг. 9 показана сатурационная установка, в которой использован предлагаемый сатурационный канал.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 представлена блок-схема, на которой показан сатурационный канал 1, соответствующий настоящему изобретению.

Предлагаемый сатурационный канал 1 предназначен для обеспечения растворения газа в напитке. Под напитком понимается любая пригодная для питья жидкость; газом, используемым в сатурационном канале, является, предпочтительно, диоксид углерода (СО₂). Со ссылкой на фиг. 1 следует отметить, что сатурационный канал 1 соединен с сатурационным котлом 21.

Длину сатурационного канала 1 следует определять в соответствии с его диаметром, который зависит от количества (расхода) напитка, подлежащего сатурации. Другими словами, расход напитка определяет диаметр сатурационного канала 1, от которого зависит длина сатурационного канала. Далее диаметр сатурационного канала 1 описывается как проточный диаметр К.

В таблице, размещенной ниже, со ссылкой на фиг. 2 представлено соотношение между длиной сатурационного канала 1, проточным диаметром К и максимальным расходом напитка, подлежащего сатурации:

Что касается конструкции сатурационного канала, фиг. 2 представляет собой вид в поперечном сечении предпочтительного варианта осуществления канала 1. Для лучшего понимания предлагаемый канал 1 разделен на три четко различающихся основных части, участок 8 схождения, участок 19 смешивания и участок 17 замедления.

Как явствует из фиг. 2, сатурационный канал 1, соответствующий настоящему изобретению, включает трубчатый элемент 12 (полый цилиндр или имеющий любое другое надлежащее поперечное сечение), соединенный с компрессионным элементом 13, при этом, в результате такого соединения образуется траектория 14 для течения раствора, то есть, напитка с газом (участок 19 смешивания и участок 17 замедления) или без газа (участок 8 схождения). На фиг. 3 и 4, соответственно, показан трубчатый элемент 12 и компрессионный элемент 13.

Как показано, в частности, на фиг. 2, компрессионный элемент 13 окружен трубчатым элементом 12 и расположен продольно внутри элемента 12. Кроме того, длина L1 участка 8 схождения равна внутреннему диаметру К (проточному диаметру К) трубчатого элемента, что лучше видно на фиг. 2.

Сатурационный канал 1 дополнительно включает узел 5 впуска напитка, расположенный на участке 8 схождения. Лучше всего узел 5 впуска напитка можно видеть на фиг. 2. По направлению к участку 19 смешивания площадь траектории 14 узла 5 впуска сужается, образуя воронкообразный проход для потока напитка.

Для обеспечения такой конструкции сатурационный канал 1 включает турбулизатор 10, выдающийся из трубчатого элемента 12 в направлении компрессионного элемента 13, и этот выступ имеет форму наклонной плоскости, выдающейся из трубчатого элемента 12.

Турбулизатор 10 дополнительно включает завихрительную стенку 27, предназначенную для интенсификации перемешивания газа и напитка. В данном предпочтительном варианте осуществления сатурационного канала 1 завихрительная стенка имеет форму вогнутой поверхности и характеризуется предпочтительной глубиной Н завихрительной стенки 1,3 мм. Радиус R₁ завихрительной стенки равен, предпочтительно, 4,5 мм. Завихрительную стенку можно лучше видеть на фиг. 5 и 6.

Завихрительная стенка 27 предназначена для создания турбулентного движения на участке 19 смешивания, а именно, в области вблизи узла 9 впуска газа. Благодаря турбулентному движению улучшается растворимость (способность растворяться) газа в напитке (более, чем на 7%), а именно, такое приращение достигается благодаря ускорению и атомизации напитка при вступлении в контакт с газом.

Кроме того, предлагаемый радиус R₁ завихрительной стенки позволяет уменьшить падение давления на участке 19 смешивания (а именно, в области вблизи узла 9 впуска газа), поскольку площадь контакта напитка с компрессионным элементом 13 в самой узкой области траектории минимальна.

Кроме того, радиус R₁ завихрительной стенки обеспечивает движение газа в сторону потока напитка, как показано на фиг. 7, благодаря чему исключается перпендикулярный поток поступающего газа, и достигается заданный уровень эффективности, как описано выше.

Обратимся к фиг. 5, на ней представлен вид в поперечном сечении участка 8 схождения со всеми упомянутыми выше элементами. Узел 5 впуска напитка можно представить как область между трубчатым элементом 12 и компрессионным элементом 13, обеспечивающую поток напитка.

Для надлежащей подачи напитка в сатурационный канал 1, компрессионный элемент 13 имеет угол А отклонения, который показан на фиг. 5.

Угол отклонения измеряют от внутренней оси (Х) до поверхности компрессионного элемента, определяющего траекторию 14, как показано на фиг. 5.

Угол А отклонения не зависит от расхода напитка; в данном предпочтительном варианте осуществления сатурационного канала 1 угол А отклонения характеризуется предпочтительной величиной, приблизительно, 8°. Очевидно, это лишь предпочтительная величина, и могут быть использованы другие величины угла отклонения, например, приемлемым диапазоном является угол от 5° до 10°.

Что касается участка 8 схождения, он характеризуется максимальным предпочтительным диаметром Р, составляющим 0,85 величины проточного диаметра К (Р=К*0,85).

Как показано на фиг. 5 и как уже упоминалось, на участке 8 схождения имеется турбулизатор 10, выступающий из трубчатого элемента 12 в сторону компрессионного элемента 13 сатурационного канала 1.

Турбулизатор 10 определяет угол В схождения потока напитка, а именно, угол В схождения измеряют от внутренней оси Х компрессионного элемента 13 до поверхности турбулизатора 10, определяющей траекторию 14, как показано на фиг. 5.

Угол В устанавливает соотношение между скоростью потока напитка и падением давления напитка в области, ограниченной углом В схождения.

В данном предпочтительном варианте осуществления сатурационного канала 1 угол В схождения имеет величину 13°. Как и в случае угла А отклонения, это лишь предпочтительная величина угла В схождения, и приемлемыми являются величины в диапазоне от 8° до 15°.

Турбулизатор 10 определяет диаметр F смешивания сатурационного канала, как показано на фиг. 2. В надлежащей конфигурации турбулизатора 10 диаметр F смешивания должен быть на 16 миллиметров (мм) меньше проточного диаметра К трубчатого элемента с допуском 0,1 мм.

Отличие в 16 мм от диаметра К трубчатого элемента позволяет регулировать угол В схождения, так как при увеличении площади траектории 14 интенсифицируется турбулизация напитка.

Турбулизация происходит на выходе напитка из области, определяемой турбулизатором 10, и в начале участка 19 смешивания. Благодаря турбулизации происходит быстрое перемешивание напитка и газа вследствие расширения, происходящего в напитке.

На участке 19 смешивания диаметр компрессионного элемента 13 должен непосредственно зависеть от диаметра F смешивания, поскольку функцией участка 19 смешивания является, в соответствии с принципом Вентури, снижение давления напитка. Как показано на фиг. 2, диаметр внутреннего элемента соответствует диаметру С участка смешивания.

Предпочтительно, соотношение между диаметрами С и F (C/F) должно составлять от 0,65 до 0,75 (с допуском 0,1 мм). В этом предпочтительном диапазоне процесс сатурации происходит с высокой эффективностью, а при величинах более 0,75 падение давления было бы слишком большим.

Для величин менее 0,65 расход напитка на участке 8 схождения и, особенно, в турбулизаторе 10 был бы недостаточным для создания надлежащего разрежения (или отрицательного давления).

Определение соотношения между диаметрами С и F направлено на увеличение скорости напитка в турбулизаторе 10 (в горловине сатурационного канала) и, кроме того, на установление оптимального соотношения между падением давления напитка при прохождении турбулизатора 10 и создаваемой степенью разрежения (или отрицательного давления).

Длина L2 участка 19 смешивания должна быть такой, чтобы обеспечивать сохранение ускорения напитка посредством заданного периода времени (времени пребывания), обуславливая надлежащий объем газа в напитке. В предпочтительном варианте осуществления сатурационного канала время пребывания составляет около 40 миллисекунд (мс).

Зная время пребывания (40 мс) и расход напитка, можно определить длину L2 участка 19 смешивания относительно площади 14 траектории следующим образом:

Длина (L2)=(Расход*Время пребывания)/Площадь

Как видно на фиг. 2, на участке 19 смешивания площадь траектории 14 остается постоянной и определяется как:

Площадь=Диаметр К - Диаметр С;

Площадь=π*r²

Важно помнить, что проточный диаметр связан с расходом напитка и длиной сатурационного канала 1.

Как показано на фиг. 2, сатурационный канал 1 дополнительно включает участок 17 замедления, смежный с участком 19 смешивания. Граница между участком 17 замедления и участком 19 смешивания определяется плоскостью 18 сочленения.

Начиная от плоскости 18 сочленения и далее вдоль участка 17 замедления, площадь траектории 14 постепенно увеличивается. Целью этого увеличения является достижение последовательного замедления потока напитка в сатурационном канале 1.

В случае мгновенного замедления возрастала бы кинетическая энергия газа, растворенного в напитке, что приводило бы к резкому выделению газа. Конструкция компрессионного элемента 13 и трубчатого элемента 12 определяет наличие угла D расхождения, максимальная величина которого принимается равной 9°. Приемлемой минимальной величиной является 4,5°, то есть, может быть использована любая величина угла в пределах этого диапазона.

Фиг. 8 представляет собой перспективный вид c сечением узла 9 впуска газа сатурационного канала 1, соответствующего настоящему изобретению. Можно видеть, что узел 9 впуска газа расположен вблизи траектории 14, а именно, в той области сатурационного канала 1, где площадь траектории 14 минимальна.

Что касается узла 9 впуска газа, расход газа в узле 9 должен обеспечивать расход газа, требующийся для данной системы. То есть, что касается сатурационного канала 1, падение давления в канале 1 не должно влиять на расход газа.

Например, если давление газа в узле 9 впуска газа равно 0,7 МПа (7 бар), максимальное допустимое падение давления должно составлять около 1,5% этого заданного давления, то есть, максимальное допустимое падение давления равно 0,01 МПа (0,1 бар).

Зная максимальное допустимое падение давления, можно определить минимальную площадь узла впуска газа относительно следующих параметров:

Максимальный расход напитка в сатурационном канале 1 и в сатурационной системе: Qmax

Максимальный объем газа в напитке: V_СО2max. Это максимальный объем газа, который должен быть растворен в напитке, представляющий собой соотношение между объемом сатурированного напитка и объемом газа, растворенным при атмосферном давлении. Для бутылки объемом 100 см³ с трехкратным объемом СО₂ при атмосферном давлении должно быть растворено 300 см³ СО₂.

Максимальный расход газа: Q_Gmax. Это максимальная интенсивность потребления газа, зависящая от максимального объема газа, который должен быть растворен в напитке в соответствии с максимальным расходом напитка Qmax, другими словами, Q_Gmax=V_CO2max*Qmax.

Максимальное давление в сатурационном канале: Рmax. Для увеличения количества газа, растворенного в напитке, необходимо повысить давление газа в узле 9 впуска газа, поскольку при увеличении давления объем газа, поступающего через узел 9 впуска газа, также увеличивается.

Внутренний диаметр узла 9 впуска газа может быть получен при помощи уравнения Darcy-Weisbach:

l: длина канала, м; d: внутренний диаметр канала; v: скорость воздуха; Δp: падение давления; μ: коэффициент трения; ρ: плотность, кг/м³.

При заданном давлении 0,4 МПа (7 бар) величина Δp составляет 0,01 МПа (0,1 бар) (1,5% от 7 бар). V_CO2max может быть принят равным 6 (соотношение между объемом сатурированного напитка и объемом газа, растворенного при атмосферном давлении).

Принимая во внимание, что в проведенных экспериментах использовали канал 101,6 мм (4ʺ), был достигнут максимальный расход напитка (Qmax) в сатурационном канале 1 Qmax=0,75 м³/мин. Таким образом, максимальный расход газа (Q_Gmax) составляет 4,5 м³/мин. Кроме того, использована длина 0,3 м (труба, соединяющая котел 21 с каналом 1, на фиг. 1 отмеченная номером позиции 39).

В соответствии с уравнением Darcy-Weisbach, минимальный диаметр равен 14,2 мм, следовательно, площадь равна 158,28 мм².

Зная площадь, высоту узла 9 впуска газа можно определить следующим образом:

Высота=Площадь/Периметр, где

Площадь=158,28 мм², Периметр=Диаметр К*π. Таким образом, высота узла 9 впуска газа равна 0,57 мм.

Высота узла 9 впуска газа представляет собой размер, измеряемый между компрессионным элементом 13 и ближайшей к компрессионному элементу 13 точкой турбулизатора 10 (впуск СО₂ в канал 1 осуществляется по кольцу).

Описав предпочтительный вариант осуществления сатурационного канала 1, переходим к описанию стадий способа сатурации, позволяющего увеличить растворимость газа в напитке и уменьшить потери газа.

Для лучшего понимания способа сатурации, предлагаемого в соответствии с настоящим изобретением, будем ссылаться на фиг. 9. На этой фигуре изображены следующие основные компоненты: сатурационный канал 1, описанный выше, сатурационный котел 21, испаритель 30 и множество клапанов 31, 32, 33, 34, 35 и 37, функции которых подробно описаны далее.

Кроме того, при описании предлагаемого способа сатурации используются два основных термина: скорректированное давление Р_С и давление в сатурационном котле Р_R.

Скорректированное давление Р_С - это заданное давление, необходимое для достижения заданного объема газа в напитке. Скорректированное давление Р_С определяется пользователем, осуществляющим способ сатурации.

Давление в сатурационном котле Р_R - это реальное давление, измеряемое в сатурационном котле 21.

По существу, в предлагаемом способе сатурации корректировка изменений давления в сатурационном котле Р_R и изменений скорректированного давления Р_С осуществляется только путем регулирования работы (степени открытия) клапана 31 плавного регулирования (таким образом, регулирования расхода СО₂ на входе в сатурационный канал 1) и путем регулирования расхода СО₂ на входе в сатурационный котел 21.

Таким образом, в предлагаемом способе, в отличие от известных способов, не производится выброс СО₂ в атмосферу.

Кроме того, в предлагаемом способе, благодаря регулированию расхода СО₂ на входе в сатурационный канал 1 и сатурационный котел 21, всегда осуществляется уравнивание (приравнивание) величины скорректированного давления Р_С с величиной давления Р_R в сатурационном котле.

Что касается скорректированного давления Р_С, единственным фактором, который может повлиять на него в ходе осуществления способа, является температура напитка:

Корректировка из-за изменения температуры

Температуру напитка необходимо регулировать до поступления в сатурационную систему. Как явствует из фиг. 9, для регулировки температуры напитка используется испаритель 30.

Предпочтительной температурой напитка на входе в сатурационный канал 1 является 4°С. При этой величине обеспечивается большая эффективность процесса сатурации.

Однако, если по какой-либо причине температура напитка изменяется (увеличивается или уменьшается) перед поступлением в сатурационный канал 1, в предлагаемом способе такое изменение автоматически корректируется, как описано ниже.

Рассмотрим случай, когда температура напитка составляет 4°С, и процесс сатурации происходит нормально, при величине скорректированного давления Р_С, равной величине давление Р_R в сатурационном котле.

Если температура напитка в ходе сатурации увеличивается, такое увеличение вызывает рост величины скорректированного давления Р_С, однако, на величину давления Р_R в сатурационном котле это не влияет. Следовательно, в данном случае, Р_С будет больше Р_R.

Таким образом, чтобы скорректировать такое изменение, в предлагаемом способе происходит автоматическое добавление СО₂ в сатурационный котел 21 до тех пор, пока указанные величины давления не уравняются, другими словами, регулировочный клапан СО₂ 32 открыт, тогда давление Р_R в сатурационном котле будет равно скорректированному давлению Р_С. Регулировочный клапан СО₂ открывают пропорционально увеличению температуры напитка.

Важно упомянуть, что в оптимальном случае, то есть, когда давление Р_R в сатурационном котле уравнено со скорректированным давлением Р_С (Р_R=Р_С=4 кг/см²), регулировочный клапан СО₂ должен быть закрыт. Вследствие добавления СО₂ в котел 21, величина давления Р_R в сатурационном котле будет расти, следовательно уравниваться (становиться равной) с величиной скорректированного давления Р_С.

Если по какой-либо причине температура напитка уменьшается, такое изменение вызывает уменьшение величины скорректированного давления Р_С, но на давление Р_R в сатурационном котле не влияет.

Чтобы скорректировать такое изменение, расход СО₂, подаваемого в сатурационный канал 1, нужно уменьшить, следовательно, клапан 31 плавного регулирования нужно закрыть (уменьшить степень открытия).

В размещенной ниже таблице указаны предпочтительные величины степени открытия клапана плавного регулирования с учетом изменения величины скорректированного давления Р_С.

При уменьшении степени открытия клапана 31 плавного регулирования, давление P_R в котле уравнивается со скорректированным давлением Р_С, возвращая процесс к заданному состоянию.

Расход напитка в узле впуска в сатурационный канал 1 (узел 5 впуска напитка) должен быть постоянным (стабильным), так как размеры элементов сатурационного канала 1 выбраны в соответствии с заданным параметрами бутилирования, и диаметр сатурационного канала 1 (диаметр С) остается постоянным.

Если в узле 5 впуска напитка происходят небольшие изменения расхода напитка, пропорционально уменьшается или увеличивается разрежение в сатурационном канале 1. Такие изменения разрежения предусматривают небольшую корректировку смешивания напитка и газа, поскольку расход СО₂ в сатурационном канале 1 будет увеличиваться или уменьшаться.

Если расход напитка уменьшается значительно, в сатурационном канале 1, при прохождении через турбулизатор 10, не достигается турбулизация напитка. Кроме того, при нежелательном расходе напитка отсутствует разрежение в узле 9 впуска газа и, следовательно, процесс сатурации не происходит должным образом.

Для запуска процесса, после того, как установлена величина скорректированного давления Р_С, необходимо подать в сатурационный котел 21 заданное количество СО₂, для чего регулировочный клапан СО₂ 32 должен быть открыт, в котел также должен быть подан напиток.

Как указано выше, в предлагаемом способе скорректированное давление Р_С всегда должно быть равно давлению, измеряемому в котле 21 (давлению P_R в сатурационном котле).

Важно упомянуть, что давление в котле 21 (давление P_R в сатурационном котле), предпочтительно, измеряют в верхней части котла 21, как показано номером позиции 33 на фиг. 9. Давление P_R может отображаться на панели 38 управления, находящейся вблизи описываемой системы (фиг. 9). Может быть использован любой известный в данной области способ измерения давление в камере.

Для подачи напитка в котел 21 регулировочный клапан 34 напитка должен быть открыт. При прохождении напитка через испаритель 30 его температура уменьшается и достигает 4°С (предпочтительная температура).

Когда регулировочный клапан 34 напитка открыт, клапан 35 Вентури и клапан 31 плавного регулирования должны быть открыты на 80% для регулирования расхода газа в сатурационном канале 1. Кроме того, при поступлении напитка в сатурационный котел, благодаря наличию сатурационного канала 1, в нем растворен СО₂.

Чтобы гарантировать, что в сатурационный котел 21 подается только СО₂, клапан 35 Вентури размещают на 90% высоты котла 21. Если такой клапан 35 размещен выше этого уровня (или даже за пределами котла 21), возможно поступление в сатурационный канал 1 воздуха, так как воздух легче СО₂ и находится в верхней части сатурационного котла 21.

Корректировка из-за изменения давления P_R в котле

Из-за поступления напитка в котел 21 давление P_R в сатурационном котле увеличивается и становится выше скорректированного давления Р_С.

Чтобы исключить влияние такого повышения на расход СО₂ в канале 1 и, кроме того, выровнять давление P_R в котле и скорректированное давление РС, клапан 31 плавного регулирования постепенно закрывают в соответствии с уравнением, описывающим колебания расхода СО₂ при различных значениях давления.

В приведенной ниже таблице представлены предпочтительные величины давления P_R в сатурационном котле и соответствующая предпочтительная степень открытия клапана 31 плавного регулирования (показательные значения) при скорректированном давлении, равном 4 кг/см².

Как можно видеть и как уже упоминалось, когда реальное давление (P_R) в котле увеличивается, степень открытия клапана 31 плавного регулирования уменьшается (клапан закрывают):

Благодаря закрытию клапана 31 плавного регулирования давление P_R в сатурационном котле уравнивается со скорректированным давлением Р_С.

Поскольку происходит растворение СО₂ в напитке, давление P_R в сатурационном котле может начать уменьшаться, тогда как на скорректированное давление Р_С это не влияет.

Для корректировки такого падения давления регулировочный клапан СО₂ 32 может быть открыт, чтобы исключить ситуацию, когда в котле 21 будет достигнуто минимальное допустимое давление, а также для управления расходом СО₂ в канале 1. Другими словами, расход СО₂, поступающего в котел 21, должен быть увеличен.

Как уже упоминалось, когда скорректированное давление Р_С уравнялось с давлением P_R в сатурационном котле, регулировочный клапан 32 СО₂ должен быть закрыт. Следовательно, если давление P_R в котле уменьшается, регулировочный клапан СО₂ 32 открывают пропорционально уменьшению давления P_R в котле.

Подача СО₂ в котел 21 увеличивает давление P_R в сатурационном котле и, следовательно, приводит к уравниванию давления P_R со скорректированным давлением Р_С. Когда эти величины давления сравнялись, регулировочный клапан СО₂ 32 снова закрывают.

При каком-либо резком уменьшении величины давления P_R в сатурационном котле, или если давление P_R достигает величины, на 10% (в данном случае, 3,6 кг/см²) меньшей, чем величина скорректированного давления Р_С, также может быть увеличена степень открытия клапана 31 плавного регулирования с целью более быстрого уравнивания со скорректированным давлением Р_С.

При величинах менее 3,6 кг/см² (при падении давления более 10%) процесс сатурации должен быть немедленно прерван. В этом смысле, когда давление P_R в сатурационном котле значительно или резко падает, клапан 31 плавного регулирования является вспомогательным по отношение к регулировочному клапану СО₂.

Таким образом, при оптимальных условиях, то есть, когда скорректированное давление Р_С уравнено с давлением P_R в сатурационном котле, клапан 31 плавного регулирования оставляют открытым на 80%, а регулировочный клапан СО₂ 32 оставляют закрытым. Как указано выше, регулировочный клапан СО₂ открывают только тогда, когда давление P_R в сатурационном котле достигает меньшей величины, чем величина скорректированного давления Р_С.

Уровень напитка в сатурационном котле 21 должен всегда находиться между 50% и 90% высоты котла 21 (объема котла 21). Когда уровень напитка ниже 50% высоты, должен быть открыт регулировочный клапан 34 напитка, тогда начинается процесс сатурации. Когда уровень напитка в сатурационном котле 21 достигает 90% (точки, в которой находится клапан 35 Вентури), закрывают регулировочный клапан 34 напитка и прекращают поступление напитка.

Перед подачей напитка на бутилирование необходимо определить содержание СО₂ и брикс (содержание растворенных в напитке сахаров). Если они соответствуют имеющимся стандартам, открывают выпускной клапан 36.

Способ определения брикс не является основным аспектом настоящего изобретения, это может быть сделано, например, способом рефракции.

Кроме того, если объем СО₂ в растворе не соответствует стандартным параметрам, необходимо рециркулировать напиток. Под рециркуляцией понимается, что напиток должен быть выпущен из котла 21 посредством открытия выпускного клапана 36, после чего снова подан в котел 21 посредством открытия клапана 37 рециркуляции и разбрызгивателя 40.

Когда напиток снова подан в котел 21 через разбрызгиватель 40, возможна повторная сатурация напитка, а также возможно удаление СО₂ из напитка.

Другими словами, возможно увеличить или уменьшить содержание (объем) СО₂ в напитке (растворе), путем регулирования степени открытия разбрызгивателя 40.

Если нужно уменьшить объем СО₂ в напитке, необходимо уменьшить величину скорректированного давления Р_С. С другой стороны, если нужно ввести в напиток больше СО₂, скорректированное давление Р_С должно быть увеличено.

Разбрызгиватель 40 представляет собой сферу из нержавеющей стали с отверстиями по всей ее поверхности, предназначенную для нагнетания напитка в котел 21. Такой элемент (разбрызгиватель 40) позволяет исключить непроизводительный сброс сатурированного напитка, если процесс сатурации прошел ненадлежащим образом, так как позволяет увеличить или уменьшить содержание СО₂ путем рециркуляции напитка.

Управление разбрызгивателем 40 осуществляют при помощи клапана 37 рециркуляции и клапана бутилирования (не показан), расположенного на входе процесса бутилирования.

Например, если объем СО₂ выше заданной величины, скорректированное давление Р_С необходимо уменьшить, и сатурированный напиток должен быть снова подан в котел 21, как указано выше.

Кроме того, если содержание СО₂ ниже заданной величины, скорректированное давление Р_С необходимо увеличить, и сатурированный напиток должен повторно подаваться в котел 21 через разбрызгиватель 40 до тех пор, пока не будет достигнуто заданное содержание СО₂.

Содержание СО₂ в напитке измеряют после того, как напиток бутилирован. При взбалтывании образца бутилированного напитка давление внутри бутылки увеличивается; по соотношению между таким увеличением давления, температурой напитка и объемом растворенного в напитке газа определяют содержание СО₂ в напитке.

Время рециркуляции зависит от содержания СО₂ в напитке и объема СО₂, которого нужно достичь. Во время рециркуляции необходимо задать объем СО₂, и в соответствии с этим оценивать время рециркуляции. В зависимости от времени рециркуляции, может быть определено соотношение между временем рециркуляции и приращением объема СО₂ в напитке.

Как уже отмечено выше, во время рециркуляции напитка возможно увеличить или уменьшить скорректированное давление Р_С в зависимости от объема СО₂ в бутилированном напитке. Если этот объем недостаточен, скорректированное давление Р_С увеличивают, в противном случае, скорректированное давление Р_С уменьшают.

Изменение скорректированного давления Р_С может быть выполнено при помощи панели 38 управления. Предпочтительный вид панели 38 представлен на фиг. 9. Связь между панелью 38 и котлом 21 не является основным аспектом настоящего изобретения и может быть осуществлена любым из множества уже известных способов.

Как было описано, благодаря сатурационному каналу и способу сатурации, предлагаемым в соответствии с настоящим изобретением, нет необходимости в выбросе СО₂ в атмосферу для корректировки изменения давления в сатурационном котле 21 и, кроме того, корректировки изменения температуры напитка.

В предлагаемом способе и канале СО₂ выбрасывают в атмосферу только через регулярные промежутки времени, например, каждые 3 минуты, для удаления воздуха, скапливающегося в верхней части котла 21. Это осуществляют при помощи предохранительного клапана 41 (фиг. 9).

В сущности, в альтернативном варианте осуществления изобретения, оборудование для удаления воздуха из напитка может быть расположено до испарителя 30, в этом случае нет необходимости выброса СО₂ в атмосферу.

Выполнение предлагаемого способа и управление указанными клапанами, предпочтительно, осуществляется автоматически через интерфейс оператора (Human Machine Interface - HMI), следовательно, выравнивание давления P_R в сатурационном котле и скорректированного давления Р_С происходит почти мгновенно, таким образом, предлагаемый способ не сопряжен с изменением давления на длительный период времени.

Нет необходимости описывать какие-либо подробности в отношении HMI, поскольку он не является основным аспектом настоящего изобретения. Может быть использован любой HMI, пригодный для управления клапанами, уже известный в данной области. В альтернативном варианте осуществления изобретения способ может выполняться вручную.

Наконец, под напитком, упоминаемым в настоящей заявке, следует понимать любой материал с вязкостью, меньшей или равной 0,08 Па⋅с (80 сП).

Хотя были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, следует понимать, что объем настоящего изобретения охватывает другие возможные варианты и ограничивается только содержанием прилагаемой формулы изобретения, включающей возможные эквиваленты.

Реферат

Изобретение относится к сатурационному каналу и способу сатурации, а именно к сатурационному каналу и способу сатурации, позволяющим повысить растворимость газа в напитке. Сатурационный канал для смешивания газа и напитка включает трубчатый элемент, окружающий компрессионный элемент. Компрессионный элемент расположен продольно внутри трубчатого элемента и определяет траекторию потока напитка вдоль сатурационного канала. Компрессионный элемент имеет наружные диаметры, последовательно определяющие наличие участка схождения, участка смешивания и участка замедления вдоль сатурационного канала. На участке схождения сатурационный канал включает узел впуска газа, предназначенный для введения газа в траекторию. В трубчатом элементе имеется турбулизатор, определяющий диаметр смешивания сатурационного канала. Турбулизатор содержит завихрительную стенку, при этом завихрительная стенка имеет вогнутую поверхность. Изобретение обеспечивает интенсификацию перемешивания напитка и газа. 2 н. и 30 з.п. ф-лы, 9 ил., 3 табл.

Формула