《包裝設計制作工藝與檢測技術標準實用手冊》

第二篇 包裝技術與工藝

第八章　充填技術

第二節　液體物料的充填

液體物料的充填，國內習慣稱為灌裝。需要灌裝的液體物料甚多，幾乎可以包括生活有關的一切液體，此外還有一些工農業用液體。液體物料的化學物理性質各不相同，故灌裝方法也不同。液體物料中影響灌裝的主要是粘度，其次是是否溶有氣體，以及起泡性和微小固體物含量等。因此，在選用灌裝方法和灌裝設備時，首先要考慮液體物料的粘度。根據灌裝的需要，一般將液體物料按粘度分為三類：流體、半流體和粘滯流體。

（1）流體：是指靠重力作用下可按一定速度在管道內自由流動，粘度范圍在0．001～0．1Pa．s的液體，如牛奶、清涼飲料、酒、香水、眼藥水、純凈水等。

（2）半流體：除靠重力外，還需加上外力才能在管道內流動，粘度范圍在0．1～10Pa．s的液體，如煉乳、蕃茄醬、發乳等。

（3）粘滯流體：靠自身重力不能流動，必須借助擠壓等外力才能流動，粘度在10Pa．s以上的物料，如洗發膏、牙膏、漿糊、花生醬、果醬等。

一、液體物料灌裝的力學基礎

液體物料灌裝一般是將液體從貯液缸取出，使之通過管道流入容器。液體物料在管道中流動的條件是，流入端與流出端之間必需有壓力差，也稱壓頭，流入端的壓力必須高于流出端的壓力。假設流過圓形截面管道的液體物料為層流，則流速可根據伯蕭葉（Poiseuille）公式計算

V＝πPr4/8ηL

式中：V———每秒流動的液體物料體積；

　　P———壓力差；

　　r———管道內徑；

　　L———管道長度（指鉛垂距離）；

　　η———液體粘滯系數。

從上式中可以看出，流速V與壓力差P成正比，與管徑r的四次方成正比，與管道長度成反比。因此，可以得出以下結論：

（1）同一種液體，當管長與管徑相同時，如果壓力差成倍增加，流速也成倍增加。

（2）同一種液體物料，當管徑相同時，如果管長與壓力差均成倍增加，則流速不變。

上述兩條結論，是設計最佳灌裝系統的依據。

當灌裝系統中，貯液缸和容器均為大氣壓力時，液體物料靠重力產生流動。利用這種原理進行灌裝的方法稱為重力灌裝；如果貯液缸是封閉的，則缸內壓力高于大氣壓力時，流速將增大，因為總壓力差是重力壓力差與貯液缸內外加壓力之和。利用這種原理進行灌裝的方法稱為壓力灌裝。如果，貯液缸頂部是通向大氣的，而管子與容器連接是密封的，容器中的壓力低于大氣壓力，同樣流速也會增大。利用這種原理進行灌裝的方法稱為真空灌裝。

二、液體物料灌裝的具體方法

按灌裝原理，灌裝方法可分為重力灌裝、壓力灌裝和真空灌裝三大類。

按計量方式，灌裝方法可分為定液位灌裝法和容積灌裝法。

常用的灌裝方法有10種：

（一）純重力灌裝法

這種方法像物理學中講的虹吸現象一樣，是最古老的灌裝方法之一，而且現在仍然是最準確最簡單的灌裝方法。大部分自由流動的液體物料都可以用此法灌裝。純重力灌裝法屬于定液位灌裝，灌入容器中液體物料的容積決定于容器本身的容積。圓形氣密罐或塑料的壁厚比玻璃瓶均勻，因而，它們的容積比玻璃瓶準確。

如圖2－8－1所示，貯液槽1位于最上部，液體物料從貯液槽流經帶彈簧的灌裝閥4進入容器。灌裝時升降機構將容器向上托起（也可以將灌裝管下降），首先是容器的口部和灌裝閥下部的密封蓋5接觸并壓緊，將容器密封，然后容器再上升，頂開彈簧，開啟灌裝閥，液體物料靠重力自由流下，灌入容器中。同時，容器內的空氣經設在灌裝管端部的空氣出口2通到貯液槽液面上部的排氣管3排出。當液體上升至排氣口上部時，即停止流動，液位達到規定高度并保持不變。灌裝完成后，升降機構將容器下降，灌裝閥失去壓力，由彈簧自動關閉。

圖2－8－1　純重力灌裝法

1—貯液槽；2—空氣出口；3—排氣管；4—灌裝閥；5—密封材料

　　這種方法主要用于低粘度、非起泡性的液體物料，如牛奶、白酒、醬油、藥水等。使用的設備構造簡單，操作方便，易于保養，是很早就出現的灌裝方法，至今仍被廣泛使用。

（二）純真空灌裝法

這種方法是在低于大氣壓力的條件下進行的灌裝方法，是一種差壓真空式，即讓貯液箱內部處于常壓狀態，只對包裝容器內部抽氣，使其形成一定的真空度，液體物料依靠兩容器內的壓力差，流入包裝容器并完成灌裝。這種方法屬于定液位灌裝，是目前國內常用的真空法灌裝的形式。通常限于灌裝狹頸玻璃瓶。如圖2－8－2所示，貯液槽4與灌裝閥10分開放置，供料管1由供料閥2控制，液位由浮子3保持。另設有真空泵7和真空室6以建立真空。溢流至真空室的液體物料由供液泵5送回貯液槽。應用此法灌裝時，瓶子上升或灌裝閥下降，首先將瓶口密封，并在瓶內建立高真空（860～930Pa），然后克服灌裝閥的彈簧壓力，開啟此閥。閥中套管內有一個真空管，與真空室相連。真空室用真空泵保持真空。當閥封住瓶口并開啟后，真空口也同時開啟，瓶內的真空度就與真空室中的一樣。液體物料靠作用在貯液槽液面的大氣壓力和瓶中的高真空之間形成的壓力差，從貯液槽流入瓶內。當液體物料上升到灌裝閥中真空管口時即停止流動，液位保持不變。如果瓶子不離開閥口，液體物料會繼續緩緩地流出，因為抽真空時會將液體物料從瓶內吸出，形成溢流和回流。溢出的液體物料流到真空室，用供液泵送回至貯液槽。

圖2－8－2　純真空灌裝法

1—供料管；2—供料閥；3—浮子；4—貯液槽；5—供液泵；6—真空室；7—真空泵；8—真空管；9—液體；10—灌裝閥；11—密封材料；12—灌裝液位

　　這種方法適用于灌裝粘度低的液體物料（如油類、糖漿等），含維生素的液體物料（如蔬菜汁、果子汁等）。此法不但能提高灌裝速度，而且能減少液體物料與容器內殘存空氣的接觸和作用，故有利于延長某些產品的保存期，此外真空灌裝可避免給有裂縫或有缺口的瓶子灌裝，并可消除液體物料滴漏現象，但耗能較多，對灌裝含有芳香性氣體的酒類是不適宜的，因為會增加酒香的損失。

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