MÉTODO DE DIMENSIONAMIENTO Y CÁLCULO DE LLENADO DE ENVASES.

Método de dimensionamiento y cálculo de llenado de envases.

Se describe un procedimiento o método de cálculo que permite prever la generación de espuma en fluidos con cierta capacidad espumante,

y también obtener datos necesarios para diseñar envases, optimizar procesos de envasado y diseñar cánulas de inyección ya que el método aquí descrito permite obtener datos referidos a la generación de espumas y sus características a lo largo del tiempo del proceso de llenado, lo cual permite saber por ejemplo qué características ha de tener el envase, qué velocidad de llenado se ha empleado en el proceso de envasado, qué dimensiones debe tener la cánula de llenado todo orientado a una aplicación principal, pero no limitativa, en el proceso de llenado de envases con productos espumantes.

Método de dimensionamiento y cálculo de llenado de envases.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se puede incluir en el campo técnico de la industria del envasado. En concreto, la invención tiene por objeto un método que permite dimensionar de forma correcta envases que van a estar destinados a albergar en su interior líquidos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Un flujo multifase es una circulación simultánea de fluidos en diferentes estados o con diferentes propiedades químicas. Son muy comunes en todo tipo de aplicaciones industriales, pero difíciles de modelar, ya que hay que definir las ecuaciones que establecen masa, momento y energía de cada una de las fases, así como los intercambios entre ellas. Dado que estas relaciones no son siempre perfectamente conocidas, los modelos evolucionan constantemente con los resultados experimentales.

Un primer tipo de flujo multifase es el de superficie libre, donde los dos fluidos ocupan partes suficientemente grandes del espacio como para poder ser distinguidos y definidos en mallas. A través de la técnica del "Volume of Fluid" (VOF) , se consigue aproximar los cálculos haciendo un promedio de las propiedades (p.ej. viscosidad, densidad..) de todas las fases que intervienen dentro de una celda.

La segunda familia de flujos multifase son los flujos dispersos. Una fase se modeliza de forma continua, la otra se representa de manera dispersa, en forma de muchas gotitas, burbujas o partículas distribuidas por toda la fase continua. Dado el elevado número de burbujas, y que generalmente son más pequeñas que el tamaño de las celdas, su movimiento no es calculable individualmente. Existen dos maneras de gestionar los flujos multifase dispersos. La primera, el método euleriano, describe el sistema como una mezcla de fases continuas, y soluciona las ecuaciones de masa, momento y energía para cada fase. Las ecuaciones de movimiento incorporan los efectos de las fuerzas de arrastre entre las fases, así como los de las demás fuerzas relevantes que tienen lugar en los sistemas dispersos. Los resultados habituales son las velocidades locales, la temperatura y la fracción volumétrica de cada fase. Como contrapartida, al trabajar con volúmenes de control fijos, la forma de la interfaz entre las fases no se calcula explícitamente. Diferentes variaciones del método euleriano permiten simplificar en caso de que la diferencia entre fases sea relativamente pequeña, o bien añadir el efecto de la fusión y la desaparición de las burbujas. Algunas de sus aplicaciones más habituales son los lechos fluidizados, las columnas de burbujas o los tanques de mezcla La alternativa a los métodos eulerianos en la modelización de los medios continuos son los métodos Lagrangianos, en que los elementos de cálculo no son volúmenes de control, sino que siguen partículas concretas del medio. Las técnicas de simulación de fluidos basados en partículas se han usado durante mucho tiempo en la simulación de flujos de superficie libre en casos industriales y geofísicos. El Método Lagrangiano de Trazado de Partículas (LTM) , también conocido como Modelo de Fase Discreta (DPM) , es una de las aplicaciones de la formulación lagrangiana para los sistemas multifase. En la práctica, este método es más útil cuando las partículas ocupan menos de un 10% y son más pesados que la fase continua. Además, es simplificable mediante el cálculo estadístico de un número significante de corrientes de partículas. El método permite calcular la trayectoria de burbujas, gotas o partículas individuales y sus efectos en la fase continua, así como transferencias de masa y reacciones químicas. Se aplica a sistemas con gotitas o partículas finas en flujos de gas, como equipos de pintura o inhaladores de asma.

El Smoothed particles Hydrodynamics (SPH) es otro método basado en partículas discretas. Las partículas representan volúmenes de fluido discretizados que se mueven de acuerdo con las tensiones generadas por las otras partículas. Al ser un método lagrangiano, y por tanto no tener malla, la información es transportada con las propias partículas. Desde su introducción en 1998, se ha aplicado a un amplio abanico de simulaciones de flujos multifase. El método Cubic Interpolated propagation (CIP) permite solucionar conjuntamente las ecuaciones para líquido y gas en el marco de la dinámica de fluidos, obteniendo buenos resultados incluso trabajando con mallas poco finas. La espuma. Una de las razones es que el proceso de generación de espuma es generalmente desordenado, con continuos cambios y fusiones mientras no se alcanzan los tamaños de burbuja definitivas.

Las espumas líquidas, a diferencia de las espumas sólidas, evolucionan con el tiempo, dificultando aún más su visualización. Un parámetro importante es la fracción líquida, que determina la tipología de la espuma entre espuma seca y espuma húmeda. En el caso de la espuma seca, las paredes líquidas de la estructura (películas de jabón) son finas y las burbujas son poliédricas, para la espuma húmeda, las burbujas son esféricas. La espuma acuosa es un material bifásico (agua cargada de detergente y aire, por ejemplo) , cuya respuesta es asimilable a un sólido. Una predicción reológica de las propiedades de las espumas requiere un tratamiento distinto de los métodos usuales para la predicción de flujo de fluidos.

Ran et al. (2010) , recapitulan sobre el fenómeno de la generación de espumas, analizando la ciencia de las espumas desde cuatro puntos de vista diferentes. Por un lado, la química de los surfactantes y la caracterización física de los volúmenes de espuma, por otra, el modelado de la estructura de la espuma, tanto a la escala de la burbuja como la escala macroscópica del conjunto. Estos puntos de vista son interdependientes y necesarios para la caracterización completa del fenómeno descrito. A partir de un conjunto de leyes de las espumas, como las leyes de Laplace-Young o las leyes de Plateau, se han desarrollado varios modelos de caracterización de la espuma, como pueden ser el Modelo Basado en Vértices citado por Kelager (2009) 7, o el modelo de simulación de Kück, utilizado para Sunkel et al. (2004) para representar la interacción entre burbujas y generar y visualizar espumas. Otro modelo es el de la Espuma Viscosa (Viscous Froth Modelo) , mejorado por Kern et al. (2004) y que Ran et al. (2011) 6 aplican para las espumas generadas por detergentes vigorosamente agitados y posteriormente sometidas a tensiones. Cox (2007) implementó el modelo viscoso con el Surface envolvente. El método reticular de Boltzmann (LBM) , aplica las ecuaciones de Navier-Stokes a los flujos incompresibles. Es un método a caballo de la dinámica molecular microscópica y de la dinámica de fluidos macroscópica convencional, de manera que se ha convertido en una herramienta útil para los problemas en los que hay que tener en cuenta la tensión superficial, la capilaridad y las transiciones de fase en sistemas multifase. Finalmente, Batet et al. (2011) se basan en la Teoría Clásica de la Nucleación para crear un modelo de la nucleación y el transporte de burbujas de helio, para implementarlo posteriormente en un software CFD.

La industria de envasado (o industria del envasado y empaquetado) es consciente de la importancia del fenómeno de generación de espuma en procesos de llenado de envases en la eficiencia de las plantas de embotellado y en el impacto ecológico de los envases. La espuma generada en un proceso de llenado de un envase causa que el envase no pueda llenarse por completo, lo que al mismo tiempo provoca que se necesite de más volumen de envase (y por lo tanto más material) para almacenar un mismo volumen de contenido. Por otro lado, el hecho de que un envase no esté completamente lleno provoca una sensación negativa al consumidor final, lo que repercute negativamente en las ventas del producto. Estos hechos conllevan que el ratio de llenado de un envase (volumen envase / volumen contenido) sea un factor decisivo en la industria de envasado.

Esta problemática se puede afrontar desde varios frentes: (i) aplicando productos antiespumantes en producto, lo que en ocasiones no es posible ya que modifica sus propiedades químicas; (ii) diseñando apropiadamente la geometría del envase para minimizar la generación de espuma; (iii) optimizando los parámetros de proceso de las máquinas de envasado (velocidades de rotación, caudales de inyección etc.) , lo que influye directamente en la productividad del proceso; y (iv) diseñando apropiadamente la cánula de inyección de la máquina de envasado para conseguir cierto caudal con un flujo lo más laminar posible.

Un llenado adecuado presenta el líquido desplazándose hacia abajo por el volumen interior de un envase sin discontinuidades;...

1. Método para dimensionamiento y cálculo de llenado de envases caracterizado porque comprende:

- realizar un modelado que comprende:

- generar una malla donde la envolvente de dicha malla representa una geometría del envase y que a su vez comprende un conjunto de celdas, e

- introducir en el modelo parámetros de proceso y condiciones de contorno, propiedades del al menos un fluido con el que se llena el envase, y parámetros de configuración de cálculo,

-registrar cada celda con una identificación única para cada celda,

-determinar la presencia de al menos una burbuja (2) en al menos un momento de un rango de tiempo para

cada celda de la malla, donde la presencia de la burbuja (2) viene dada por la determinación de presencia de una cantidad de gas mayor o igual que un valor umbral de gas, -registrar cada burbuja (2) con un número de identificación diferente para cada burbuja (2) ,

- calcular un volumen de la burbuja (2) , y

- determinar una conversión de burbuja (2) en espuma (1) a partir de un valor de volumen mínimo de burbuja (2) , a partir del cual se considera que la burbuja (2) se convierte en espuma (1) .

2. Método según reivindicación 1 caracterizado porque las condiciones de contorno comprenden al menos una de las siguientes: velocidad de inyección, paredes y oberturas.

3. Método según reivindicación 1 caracterizado porque la determinación de presencia de burbuja (2) se lleva a cabo mediante un recorrido celda a celda determinando la presencia de gas en cada celda.

4. Método según reivindicación 3 caracterizado porque la presencia de gas en una celda determina dicha celda como al menos parte de una burbuja (2) .

5. Método según reivindicación 4 caracterizado porque adicionalmente comprende determinar si al menos una celda vecina forma parte de una burbuja (2) .

6. Método según reivindicación 5 caracterizado porque comprende añadir la celda vecina a la burbuja (2) si se determina que dicha celda vecina forma al menos parte de una burbuja (2) .

7. Método según reivindicación 5 caracterizado porque comprende crear una nueva burbuja (2) si se determina que dicha celda vecina no forma al menos parte de una burbuja (2) .

8. Método según reivindicación 5 caracterizado porque comprende escoger una burbuja (2) anteriormente creada y añadirle la celda vecina correspondiente a otra burbuja (2) en el caso de que la celda vecina pertenezca a otra burbuja (2) .

9. Método según reivindicación 4 caracterizado porque comprende determinar una celda como al menos parte de una burbuja (2) , determinación que se lleva cabo mediante una comparación entre un valor indicativo de porcentaje de volumen de gas contenido en dicha celda con un valor umbral introducido por el usuario equivalente a un 50% de gas; donde la celda se considera burbuja (2) o parte de una burbuja (2) cuando dicho valor indicativo de porcentaje de volumen de gas contenido en dicha celda es igual o superior a dicho valor umbral.

10. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el volumen mínimo de burbuja es de 10 mm3.