1

Projektieren von Getränkeabfüllanlagen

Lehrstuhl für Lebensmittelverpackungstechnik Dr.-Ing. Tobias Voigt

-

2

Planung und Auslegung

Projektierung komplexer Linien am Beispiel von Getränkeabfüllanlagen

• Ermitteln der Anlagennennausbringung

• Ermitteln der Nennausbringung der einzelnen Aggregate

• Pufferdimensionierung

• Dimensionieren der Kastentransporteure

Computergestützte Durchführung von Garantieabnahmeversuchen

Garantiekennzahlen und Ausschreibungskriterien

Computergestützte Durchführung einer Garantieabnahme mit

Ergebnisbeispiel

Beispielzeitplan für ein erfolgreiches Neuanlagenprojekt

Projektieren von Getränkeabfüllanlagen

3

Ermitteln der

Anlagennennausbringung

4

Aufgabe

Berechnen Sie die Nennausbringung QNA [Flaschen/h] der zu planenden

Mehrwegabfüllanlage. Folgende Angaben sind zu berücksichtigen:

Flaschentyp: 0,5l-NRW-Flasche 0,5-l/Flasche

Jahresaustoß JA: 500 000 hl

10 % vom Jahresausstoß im Spitzenmonat Spitzenmonatsfaktor fS=

12/10 = 1,2

Arbeitszeit tWA:

- 8 h/Schicht

- 12 Schichten/Woche

- 50 Wochen/Jahr

Zu erwartender Anlagenausnutzungsgrad A = 70 %

5

Mittlere Ausstoßverteilung eines Brauereibetriebes in

Deutschland

Jan

uar

Feb

ruar

März

Ap

ril

Mai

Ju

ni

Ju

li

Au

gu

st

Sep

tem

ber

Ok

tob

er

Dezem

ber

No

vem

ber

0

7

6

5

4

2

3

1

10

9

8

% J

ah

res

au

ssto

ß p

ro

Mo

nat

Monate

6

Zeitbegriffe und Kennzahlen nach DIN 8782

Nennausbringung Qn einer Maschine oder Anlage:

Ausbringung, für welche eine Maschine/Anlage ursprünglich konzipiert und

gekauft wurde

Einstellausbringung Qest einer Maschine oder Anlage:

Ausbringung, mit welcher eine Maschine/die Füllmaschine einer Anlage bei

störungsfreiem Betrieb arbeitet

Effektivausbringung Qeff einer Maschine oder Anlage:

Zahl korrekt abgefüllter Behälter, bezogen auf die Allgemeine Laufzeit

Durchschnittsausbringung Qm einer Maschine oder Anlage:

Zahl korrekt abgefüllter Behälter, bezogen auf die Arbeitszeit

Effektive Laufzeit Maschinen oder

anlagebedingte

Störzeit

Maschinen oder

anlagenfremde

Störzeit

Nebenzeiten

(Anlauf, Auslauf,

Reinigen, Rüsten,

Warten, Pause, ... ) Allgemeine Laufzeit

Betriebszeit

Arbeitszeit

7

Kennzahlen nach DIN 8782

Wirkungsgrad einer Maschine oder Anlage:

Liefergrad einer Maschine oder Anlage:

Ausnutzungsgrad einer Anlage:

LaufzeitAllgemeine

LaufzeitEffektive

Q

Q

est

eff

nn

eff

QLaufzeit Allgemeine

Behälter rabgefüllte korrekt Stückzahl

Q

Q

nn

m

QtArbeitszei

Behälter rabgefüllte korrekt Stückzahl

Q

Q

Effektive Laufzeit Maschinen oder

anlagebedingte

Störzeit

Maschinen oder

anlagenfremde

Störzeit

Nebenzeiten

(Anlauf, Auslauf,

Reinigen, Rüsten,

Warten, Pause, ...) Allgemeine Laufzeit

Betriebszeit

Arbeitszeit

8

Kennzahlen nach DIN 8782

Wirkungsgrad einer Maschine oder Anlage:

Liefergrad einer Maschine oder Anlage:

Ausnutzungsgrad einer Anlage:

LaufzeitAllgemeine

LaufzeitEffektive

Q

Q

est

eff

nn

eff

QLaufzeit Allgemeine

Behälter rabgefüllte korrekt Stückzahl

Q

Q

nn

m

QtArbeitszei

Behälter rabgefüllte korrekt Stückzahl

Q

Q

Effektive Laufzeit Maschinen oder

anlagebedingte

Störzeit

Maschinen oder

anlagenfremde

Störzeit

Nebenzeiten

(Anlauf, Auslauf,

Reinigen, Rüsten,

Warten, Pause, ...) Allgemeine Laufzeit

Betriebszeit

Arbeitszeit

9

Aufgabe

Berechnen Sie die Nennausbringung QNA [Flaschen/h] der zu planenden

Mehrwegabfüllanlage. Folgende Angaben sind zu berücksichtigen:

Flaschentyp: 0,5-l-NRW-Flasche 0,5-l/Flasche

Jahresaustoß PA: 500 000 hl

10 % vom Jahresausstoß im Spitzenmonat Spitzenmonatsfaktor fS=

12/10 = 1,2

Arbeitszeit tWA:

- 8 h/Schicht

- 12 Schichten/Woche

- 50 Wochen/Jahr

Zu erwartender Anlagenausnutzungsgrad A = 70 %

10

Lösung, Aufgabe 1:

AWANASA tQfP

AWA

SANA

t

fPQ

Flasche

l

a

Wochen

Woche

Schichten

Schicht

hhl

l

a

hl

QNA

5,07,050128

1002,1000500

h

Flaschen

h

FlaschenQNA 0003671435

11

Ausbringungsbegrenzung bei Füllmaschinen

Die Nennausbringung von Füllmaschinen ist begrenzt durch:

Technologische Gründe:

Abfüllbedingungen (Abfülldruck und –temperatur) Fülldauer eines Behälters

Füllverfahren (Vorevakuierung, Vorspannen, Entlasten)

CO2 Gehalt des Getränks

Zuführungsgeschwindigkeit der Flaschen

Physikalische Gründe:

Flaschenbruchgefahr im Füllereinlauf (vmax ca. 1,4 m/s)

Zentrifugalkraft auf den Inhalt (Überschwappen, Lufteinschluss)

Fertigungstechnik des Ringkessels

Transport auf öffentlichen Straßen

Maximaldurchsatz bei 0,5-l-Flaschen etwa 72 000 Flaschen/h

12

Ermitteln der Nennausbringung

der einzelnen Aggregate

13

Mehrwegabfüllanlage für Glasflaschen (Referenz)

-

14

Ziel: kontinuierlicher Betrieb der Füllmaschine

Die Füllmaschine wird bei Getränkeabfüllanlagen als Zentralaggregat

(Leitmaschine) betrachtet, und soll möglichst kontinuierlich betrieben

werden.

Gründe:

Produktverweilzeit im Ringkessel möglichst gering

Sauerstoffaufnahme, HDE-Bedingungen

CO2-Verlust

Gleichbleibende Füllbedingungen

Materialschonender Betrieb

Kein erhöhen der Eigenstöranfälligkeit durch Fremdstörungen

Höhere Ausbringungen der vor- und nachgeschalteten Aggregate

15

Betrieb mit konstanten Maschinenausbringungen –

(V-Diagramm nach Berg)

16

V-Diagramm für eine sortenrein (kein Fehl- oder

Fremdleergut betriebene Mehrwegabfüllanlage)

Nennausbringungen der Einzelaggregate

100

105

110

115

120

125

130

135

Paletten-

entlade-

maschne

Auspack-

maschine

Reinigungs-

maschine

Füllmaschine Ausstattungs-

maschine

Einpack-

maschine

Paletten-

belade-

maschine

empfohlene Maschinennennausbringung in % der Anlagennennausbringung

unter Berücksichtigung der Eigenstöranfälligkeit notwendige Maschinennennausbringung in %der Anlagennennausbringung

17

Auslegen der Pufferstrecken

(Transportpuffer)

18

Auslegen von Pufferzeiten

400

Schmutzentleerung

+ 3000

wascherKasten-

+ 850+ 2300

60 s

90 s

= 90 s

90 s

Auspack-maschine

Inspektions-maschine

Reinigungs-maschine

Füll- u. Verschließ-maschine

Flaschenaus-stattungsm.

Einpack-maschine

Kastenwasch-maschine

Paletten-belade-maschine

Paletten-entlade-maschine

400

Schmutzentleerung

+ 3000

wascherKasten-

+ 850+ 2300

60 s

90 s 90 s

= 90 s= 90 s

90 s 90 s

Auspack-maschine

Inspektions-maschine

Reinigungs-maschine

Füll- u. Verschließ-maschine

Flaschenaus-stattungsm.

Einpack-maschine

Kastenwasch-maschine

Paletten-belade-maschine

Paletten-entlade-maschine

Richtwerte für Pufferzeiten einer

Mehrweganlage für Glasflaschen

Bei bekanntem Störverhalten (MDT - Mean Down Time = Mittlere Störungsdauer):

MDTTp 5,1 Weniger als ¼ aller Störungen schlagen durch

Als Pufferzeit TP wird

diejenige Zeit definiert, die

eine vor- bzw. nachge-

schaltete Maschine (aus-

gehend von der Leit-

maschine) im Mittel weiter-

arbeiten kann, bis sie durch

den Stillstand einer noch

weiter vom Leitaggregat

entfernten Maschine in Stau

bzw. Mangelzustand ge-

bracht wird und somit selbst

zum Stillstand kommt.

19

Bestimmen von Pufferzeiten anhand der MDT (Mean Down Time = Mittlere Störungsdauer)

Exponentialverteiltes Störverhalten

0

0,25

0,5

0,75

1

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

DT /% der MDT

rela

tive H

äu

fig

keit

relative Häufigkeit (Dichte)

relative Häufigkeit (Summe)

Anteil abgepufferter Störungen bei einer Pufferzeit von 1,5 MDT

20

Eigenstöranfälligkeit von Einzelaggregaten (Schwankungsbreiten und Mittelwerte aus 6 Anlagen)

Minimum

in s

Maximum

in s

Mittelwert

in s E in %

empfohlene

Maschinen-

nennausbringung in

% der Anlagen-

nennausbringung

unter

Berücksichtigung

der Eigenstör-

anfälligkeit

notwendige

Maschinen-

nennausbringung in

% der Anlagen-

nennausbringung

411,23 4674,00 1487,86

59,04 135,15 81,27

936,00 2754,00 1862,14

64,00 161,26 99,55

617,00 3342,00 1552,38

38,54 82,72 60,75

678,97 3545,00 1706,49

41,00 106,00 65,88

383,96 5502,00 1689,74

57,00 133,07 93,58

362,00 2495,00 844,07

33,00 90,10 73,43

745,90 4154,00 2153,15

46,00 138,86 107,44

94,82 125,00 131,83

94,93 120,00 126,42

96,23 110,00 114,30

96,28 100,00 103,86

94,75 110,00 116,09

92,00 120,00 130,44

95,25 125,00 131,24

Maschine

MTBF /s

MDT /s

MTBF /s

MDT /s

MTBF /s

MDT /s

MTBF /s

MDT /s

MTBF /s

MDT /s

MTBF /s

MDT /s

MTBF /s

MDT /s

Palettenentlademaschne

Auspackmaschine

Reinigungsmaschine

Füllmaschine (auch

Blockaggregate mit ggf.

Rinser, Verschließmaschine,

Ausstattungsmaschine)

Ausstattungsmaschine

Einpackmaschine

Palettenbelademaschine

Minimum

in s

Maximum

in s

Mittelwert

in s E in %

empfohlene

Maschinen-

nennausbringung in

% der Anlagen-

nennausbringung

unter

Berücksichtigung

der Eigenstör-

anfälligkeit

notwendige

Maschinen-

nennausbringung in

% der Anlagen-

nennausbringung

411,23 4674,00 1487,86

59,04 135,15 81,27

936,00 2754,00 1862,14

64,00 161,26 99,55

617,00 3342,00 1552,38

38,54 82,72 60,75

678,97 3545,00 1706,49

41,00 106,00 65,88

383,96 5502,00 1689,74

57,00 133,07 93,58

362,00 2495,00 844,07

33,00 90,10 73,43

745,90 4154,00 2153,15

46,00 138,86 107,44

94,82 125,00 131,83

94,93 120,00 126,42

96,23 110,00 114,30

96,28 100,00 103,86

94,75 110,00 116,09

92,00 120,00 130,44

95,25 125,00 131,24

Maschine

MTBF /s

MDT /s

MTBF /s

MDT /s

MTBF /s

MDT /s

MTBF /s

MDT /s

MTBF /s

MDT /s

MTBF /s

MDT /s

MTBF /s

MDT /s

Palettenentlademaschne

Auspackmaschine

Reinigungsmaschine

Füllmaschine (auch

Blockaggregate mit ggf.

Rinser, Verschließmaschine,

Ausstattungsmaschine)

Ausstattungsmaschine

Einpackmaschine

Palettenbelademaschine

21

Aufgabe

Berechnen Sie die Pufferzeiten aller Transportpuffer

Ihrer Mehrwegabfüllanlage nach der 1,5 MDT-Regel.

Berücksichtigen Sie, ob es sich um einen dem

Zentralaggregat vor- oder nachgeschalteten Puffer

handelt, d. h.: Legen Sie die Pufferzeiten so aus,

dass das Zentralaggregat kontinuierlich arbeitet.

22

Eigenstöranfälligkeit von Einzelaggregaten (Schwankungsbreiten und Mittelwerte aus 6 Anlagen)

Minimum

in s

Maximum

in s

Mittelwert

in s E in %

empfohlene

Maschinen-

nennausbringung in

% der Anlagen-

nennausbringung

unter

Berücksichtigung

der Eigenstör-

anfälligkeit

notwendige

Maschinen-

nennausbringung in

% der Anlagen-

nennausbringung

411,23 4674,00 1487,86

59,04 135,15 81,27

936,00 2754,00 1862,14

64,00 161,26 99,55

617,00 3342,00 1552,38

38,54 82,72 60,75

678,97 3545,00 1706,49

41,00 106,00 65,88

383,96 5502,00 1689,74

57,00 133,07 93,58

362,00 2495,00 844,07

33,00 90,10 73,43

745,90 4154,00 2153,15

46,00 138,86 107,44

94,82 125,00 131,83

94,93 120,00 126,42

96,23 110,00 114,30

96,28 100,00 103,86

94,75 110,00 116,09

92,00 120,00 130,44

95,25 125,00 131,24

Maschine

MTBF /s

MDT /s

MTBF /s

MDT /s

MTBF /s

MDT /s

MTBF /s

MDT /s

MTBF /s

MDT /s

MTBF /s

MDT /s

MTBF /s

MDT /s

Palettenentlademaschne

Auspackmaschine

Reinigungsmaschine

Füllmaschine (auch

Blockaggregate mit ggf.

Rinser, Verschließmaschine,

Ausstattungsmaschine)

Ausstattungsmaschine

Einpackmaschine

Palettenbelademaschine

Minimum

in s

Maximum

in s

Mittelwert

in s E in %

empfohlene

Maschinen-

nennausbringung in

% der Anlagen-

nennausbringung

unter

Berücksichtigung

der Eigenstör-

anfälligkeit

notwendige

Maschinen-

nennausbringung in

% der Anlagen-

nennausbringung

411,23 4674,00 1487,86

59,04 135,15 81,27

936,00 2754,00 1862,14

64,00 161,26 99,55

617,00 3342,00 1552,38

38,54 82,72 60,75

678,97 3545,00 1706,49

41,00 106,00 65,88

383,96 5502,00 1689,74

57,00 133,07 93,58

362,00 2495,00 844,07

33,00 90,10 73,43

745,90 4154,00 2153,15

46,00 138,86 107,44

94,82 125,00 131,83

94,93 120,00 126,42

96,23 110,00 114,30

96,28 100,00 103,86

94,75 110,00 116,09

92,00 120,00 130,44

95,25 125,00 131,24

Maschine

MTBF /s

MDT /s

MTBF /s

MDT /s

MTBF /s

MDT /s

MTBF /s

MDT /s

MTBF /s

MDT /s

MTBF /s

MDT /s

MTBF /s

MDT /s

Palettenentlademaschne

Auspackmaschine

Reinigungsmaschine

Füllmaschine (auch

Blockaggregate mit ggf.

Rinser, Verschließmaschine,

Ausstattungsmaschine)

Ausstattungsmaschine

Einpackmaschine

Palettenbelademaschine

23

Ergebnisse Pufferzeiten

-

122 s

150 s

91,5 s

141 s 110 s

161 s

24

Dimensionieren der Transportpuffer

25

Pufferstrecke mit konstanter Kettengeschwindigkeit

vor dem Zentralaggregat

SM SS

vQzu

Qab

bS

L

MT3MT1

B

MT2

SM SS

vQzu

Qab

bS

SMSM SS

vvQzu

Qab

QzuQzu

QabQab

bS

LL

MT3MT3MT1MT1

B

MT2MT2

L: Pufferlänge/m

B: Breite der Massentransport-abschnitte (Pufferanteil) /m

d: Behälterdurchmesser /m

Qzu/ab: Ausbringung der vor- /nachgeschalteten Maschine

v: Transportgeschwindigkeit (ohne Schlupf)

26

Pufferstrecke mit konstanter Kettengeschwindigkeit

nach dem Zentralaggregat

SM SS

vQzu

Qab

bS

L

MT3MT1

B

MT2

SM SS

vQzu

Qab

bS

SM SS

vQzuQzu

QabQab

bS

L

MT3MT1

B

MT2

LL

MT3MT3MT1MT1

B

MT2MT2

L: Pufferlänge/m

B: Breite der Massentransport-abschnitte (Pufferanteil) /m

d: Behälterdurchmesser /m

Qzu/ab: Ausbringung der vor- /nachgeschalteten Maschine

v: Transportgeschwindigkeit (ohne Schlupf)

27

Aufholen der Puffertotzeit

bei konstanter Kettengeschwindigkeit

SM SS

vQzu

Qab

bS

L

MT3MT1

B

MT2

SM SS

vQzuQzu

QabQab

bS

L

MT3MT1

B

MT2

LL

MT3MT3MT1MT1

B

MT2MT2

L: Pufferlänge/m

B: Breite der Massentransport-abschnitte (Pufferanteil) /m

d: Behälterdurchmesser /m

Qzu/ab: Ausbringung der vor- /nachgeschalteten Maschine

v: Transportgeschwindigkeit (ohne Schlupf)

28

Stufenregelung von Transporteuren über

Stauschalterbelegung

S M S

S

S 2

S 1

v 2

v 3 v

1

S M

S M S

S

S 2

S 2

S 1

S 1

v 2

v 2

v 3

v 3 v

1 v

1 Q zu

Q ab

Q zu

Q zu

Q ab

Q ab

Kennzeichen:

hoher Staudruck

hoher Schalldruck

Scuffing

lange Totzeiten vorgeschalteter Puffer, hohe

Mindestbelegung nachgeschalteter Puffer

29

kontinuierliche Regelung anhand des

Pufferfüllungsgrades f

staudruckarm

schnelles Schließen von Lücken durch

variierte Stauschalteranordnung

Geringe Puffertotzeiten

max

0abzu

n

nnnf

2bf

3dQvvv

2

ab123

SM SS

v2

v3 v1S1

S2

SMSM SS

v2v2

v3v3 v1v1S1S1

S2S2

Qzu

Qab

QzuQzu

QabQab

30

Dimensionieren der

Kastentransporteure

31 Fotos: Fuellmeister.de

32

Aufgabe

Ermitteln Sie die zum Erreichen der berechneten Pufferzeit zwischen

Einpackmaschine und Palettenbelademaschine notwendige Länge

des Kastentransporteurs. Folgende Hinweise und Angaben sind zu

berücksichtigen:

Es handelt sich um staufähige Förderstrecken (z. B.

Edelstahlscharnierbandketten).

Die Kettengeschwindigkeit (= maximale Transportgeschwindigkeit) beträgt

0,5 m/s.

Berücksichtigen Sie beim vorgeschalteten Kastentransport die Totzeit, beim

nachgeschalteten den Mindestfüllungsgrad.

Auf der Transportstrecke werden Modulkästen mit einer Breite von 0,3 m und

eine Gefache für zwanzig Flaschen pro Kasten quer gefördert.

Die Einpackmaschine ist mit 120 %, die Palettenbelademaschine mit 125 %

Nennausbringung bezogen auf die Nennausbringung der Füllmaschine

ausgelegt