李芃荃, 譚雪松, 張 清, 萬雪琴, 劉德余, 岳 敏
(1.四川農(nóng)業(yè)大學機電學院;2.食品學院, 四川 雅安 625000;3.林學院, 四川 溫江 611130;4.信息工程學院, 四川 雅安625000)
核桃油作為傳統(tǒng)的商品,有“油料作物之王”的美稱[1]。核桃油中的亞麻酸含量高于常見的幾種植物油,是一種珍貴的營養(yǎng)油[2]。榨油所剩的油粕中含有大量的蛋白質(zhì)和其他營養(yǎng)物質(zhì),既可以用來生產(chǎn)副食品,也是良好的精飼料和肥料[3]。在工業(yè)方面,核桃油可用于制造上等油漆及繪畫顏料[4],還可以通過加碘制成碘化油,用于X光診斷時作造影劑[5]。因此核桃油產(chǎn)品有著廣闊的市場前景,但是核桃油由于出油率低所以市場上的核桃油的價格比較昂貴,如果能夠提高核桃油的出油率,就能降低核桃油的市場價格,獲得更大的消費市場。
隨著經(jīng)濟的發(fā)展,為確保食用植物油的質(zhì)量安全,螺旋榨油機壓榨油的市場廣大,但其在壓榨過程中溫度升高比較大,破壞了油脂中的熱敏性物質(zhì)及餅蛋白,營養(yǎng)價值降低[6]。其次溫度主要是通過影響油脂黏度來影響出油率的,溫度高的油脂黏度低,易出油。榨油機工作時, 主要通過榨膛內(nèi)部油料粒子之間、油料與螺桿及油料與榨膛之間的摩擦生熱來維持所需的溫度,但這種平衡模式是比較難保持的[7-9]。目前世界范圍對螺旋榨油機榨油的研究較少,理論經(jīng)驗不足,缺乏有效的試驗驗證[10]。在中國生產(chǎn)螺旋榨油機的核心部分是榨膛[11],而加熱裝置大多放置在榨膛上,通過導熱的方式為榨料提供壓榨時的溫度條件,因此對榨油時榨膛溫度的研究是很有必要的。
就目前而言,中國對核桃榨油適宜溫度的研究較少,并且國內(nèi)還未有用Ansys Workbench來研究榨油機榨核桃油時適宜溫度范圍的先例。本研究旨在運用出油率、殘油率、油脂酸價三種試驗的綜合數(shù)據(jù)得到CH1500T型單螺旋榨油機壓榨核桃的適宜預熱時間,再把該預熱時間下測得的榨膛外壁測點的溫度帶入Ansys Workbench中進行傳熱學仿真運算,從而得到核桃榨冷榨膛內(nèi)外壁適宜溫度范圍。
1.1.1 試驗主要儀器
型號為CH1500T的家用單螺旋榨油機(該榨油機功率P=1 500 W,榨螺轉(zhuǎn)數(shù)n=30~50 r/min,處理量為1.5 kg/h);紅外測溫儀(HT-866);SW-CJ-1F潔凈工作臺;HH-S4數(shù)顯恒溫水浴鍋;AUW-220-D型舜宇恒平儀;GDX-9073B-1型電熱鼓風干燥箱;100 mL具塞刻度量筒;3 mL微量滴定管。
1.1.2 試驗主要試劑
3 mol/L鹽酸;95%乙醇、乙醚(不含過氧化物)、石油醚(沸程30~60 ℃);蒸餾水;KOH、百里香酚酞。
1.2.1 核桃油出油率的測定
在本試驗前,由于分別對預熱時間為10 min做了5次試驗,發(fā)現(xiàn)它的出油率低于50%(這臺榨油機最大出油率高于50%),并且當預熱時間為16 min時,出餅端由于溫度過高餅粕糊掉卡住出餅口,已經(jīng)無法正常出油,所以本試驗的預熱時間選定為11 min、12 min、13 min、14 min和15 min。將掰成小塊的核桃均分為25組,每組80 g。每個預熱時間做5組重復試驗。檢查榨油機是否接通電源,空轉(zhuǎn)調(diào)試,確保榨油機能夠正常工作。稱量干燥的空燒杯質(zhì)量,記作m。將榨膛預熱11 min后,停止預熱開始壓榨試驗,控制壓榨時間為4 min,確保每次壓榨時間相同。壓榨結(jié)束后關(guān)閉榨油機按鈕,靜置1 min鐘后稱量載油的燒杯此刻的質(zhì)量,記作M。在關(guān)閉榨油機按鈕以后,用紅外測溫儀測量此刻榨膛外壁擬定36個測點的溫度(圖1),并記錄下來。做完一次試驗后需要待榨膛冷卻后清洗凈干燥后,測量36個測點溫度的平均值恢復到室溫才能繼續(xù)做下次試驗。按照同樣的步驟做預熱時間為11 min的其余4組試驗,以及預熱時間為12 min、13 min、14 min、15 min的其余20組試驗。最后用記錄的數(shù)據(jù)計算出油率。
出油率=(M-m/80)·100%
圖1 榨膛外表測溫點示意圖
1.2.2 餅粕殘油率的測定
本試驗是參照GB 50096—2006標準中測定食品中脂肪的酸水解法進行分析餅粕殘油率,首先配制3 mol/L鹽酸:量取36%濃度的濃鹽酸25 mL用蒸餾水稀釋至100 mL后加入100 mL容量瓶里。用AUW-220-D型舜宇恒平儀稱量25個稱量瓶的質(zhì)量,再將25組餅粕各稱取3 g左右放于稱量瓶中,做好標記后,將這25個稱量瓶放于GDX-9073B-1型電熱鼓風干燥箱,設(shè)置干燥箱溫度為105 ℃,直至將燒杯取出冷卻后稱量質(zhì)量不再發(fā)生改變?yōu)橹?,測得餅粕的含水率。稱取空錐形瓶的質(zhì)量m1、m2、m3、m4、m5,將預熱時間為11 min的5組核桃餅粕樣品分別稱取樣品2 g左右于50 mL大試管中,用10 mL量筒量取8 mL蒸餾水倒入50 mL大試管中混勻,再加10 mL 3 mol/L鹽酸。將5支試管放入75 ℃水浴中,水浴時間為40 min,每隔5 min用玻璃棒攪拌一次,讓樣品消化完全。取出試管,加入10 mL 95%乙醇,混合。冷卻后將混合物移入具塞量筒中,以25 mL乙醚分次洗試管,一并倒入量筒中。加塞振搖量筒1 min,小心開塞放氣,再塞好,靜置12 min。小心開塞,用石油醚-乙醚等量混合液沖洗塞及量筒附近脂肪。靜置15 min,待上部液體清晰,吸出上清液于已恒重的錐形瓶內(nèi),再加入5 mL乙醚于具塞量筒內(nèi),振搖。放氣后靜置10 min,將上層乙醚吸出,放入原錐形瓶內(nèi)。將錐形瓶置于水浴上蒸干。將蒸干后的錐形瓶放入100~105 ℃干燥箱中干燥2 h,取出后放入干燥器內(nèi)冷卻30 min后稱重,重復操作至恒重,得到錐形瓶和脂肪的總質(zhì)量M1、M2、M3、M4、M5。用記錄的數(shù)據(jù)計算殘油率。
X=[(M-m)/W]·100%
其中,W為樣品的質(zhì)量。完成以上試驗以后要將所有的玻璃儀器洗凈干燥,再重復以上試驗過程。
1.2.3 油脂酸價試驗的測定
本試驗是參照標準GB/T 5530—2005標準,首先配置0.1 mol/L KOH標準溶液、10 g/L百里香酚酞指示劑、中性乙醚-乙醇(2∶1)(臨用前用0.1 mol/L KOH滴定至中性)。將25組的核桃油每一組做三個平行試驗一個空白試驗,并分別稱取均勻核桃油試樣5 g于錐形瓶中,加入乙醚-乙醇混合溶劑50 mL,搖動使試樣溶解。加入3滴百里香酚酞指示劑,用KOH標準溶液滴定至藍綠色,在30 s內(nèi)不褪色,記錄消耗KOH的體積。記錄的數(shù)據(jù)求得所對應的酸價:
其中,X為油脂酸價;V為滴定消耗氫氧化鉀標準液的體積,mL;c為KOH標準液濃度,mol/L;m為試樣質(zhì)量,g;56.1為KOH的毫克當量。最后分別求不同的預熱時間下油酸價的平均值。
如表1所示為11 min到15 min各5組試驗的平均出油率。在這5個時間中當預熱時間為14 min時,出油率達到最高為56.45%。
表1 平均出油率
如表2所示為11 min到15 min各5組試驗平均殘油率。當預熱時間為14 min時,殘油率是5個時間中最低的為15.99%,當預熱時間為14~15 min,殘油率又升高。
表2 平均殘油率
如表3所示為11 min到15 min的平均含水率。當預熱時間為14 min時,含水率達到最低為4.99%,當預熱時間為14~15 min之間,含水率又升高。
表3 平均含水率
油脂酸價越低代表油的質(zhì)量越好,如表4所示,11~15 min的油脂酸價中,預熱14 min的油脂酸價最低。
表4 油脂酸價
由核桃出油率試驗結(jié)果、餅粕殘油率試驗結(jié)果和油脂酸價試驗結(jié)果可以得出預熱時間為14 min是以上時間中最為適宜的預熱時間。所測得榨膛外壁36個擬定測點的平均溫度如表5所示。
表5 預熱14 min測點溫度
2.4.1 建立有限元模型設(shè)置材料特性
在Solidworks中把模型另存為(.igs/stp)格式,打開Ansys Workbench,將其導入Steady-State Thermal圖形窗口中,經(jīng)過Solid Model Facets等操作將模型實體化,并添加材料屬性,本文中榨膛的材料為304不銹鋼。
2.4.2 定義接觸區(qū)域并網(wǎng)格劃分
以5 mm為單位間隔,從榨膛左側(cè)到榨膛右側(cè)依次選取36個測量點如圖2所示。
圖2 榨膛簡易模型選點示意圖
采用Solid87(六節(jié)點四面體單元)劃分方式進行劃分,因為Solid87在熱仿真中對于不太規(guī)整的結(jié)構(gòu)比較適合,并且精度較高,對結(jié)果的準確性提供了保障依據(jù),將Mesh中的Patch Conforming Method設(shè)置為Tetrahedrons,并把‘Details of mesh’中的‘Relevance’調(diào)制成100。最終如圖3所示將榨膛劃分成117 704個單元72 502個節(jié)點。
圖3 榨膛簡易模型劃分單元格示意圖
2.4.3 施加載荷和邊界條件進行求解
假設(shè)環(huán)境溫度恒定,在Steady-State Thermal的Initial Temperature中設(shè)置初始環(huán)境溫度為25 ℃,在Convection的Film Coefficient中選中Import Temperature Dependent后選擇Stagnant Air—Simplified Case。然后將榨膛外表面從右到左指定36個點的溫度導入Ansys Workbench中,并進行求解得到榨膛溫度分布云圖如圖4所示。
因為此時無法再在榨膛內(nèi)表面標定點,所以用等比例的方式在榨膛內(nèi)部從右往左選取第1、2、3、5、7、9、10、11、13、15、17、19、20、21、23、25、27、29、30、31、33、35、36的點的對應溫度,共23個如圖5所示。
2.4.4 反解榨膛外壁仿真溫度
將榨膛當成一個整體,在內(nèi)壁添加同樣的邊界條件、網(wǎng)格劃分方式,選取測點1對應的榨膛內(nèi)壁仿真溫度加載在榨膛內(nèi)表面(選中Steady-State Thermal的Temperature,將Magnitude設(shè)置為37.830 ℃),通過Ansys Workbench熱仿真得到榨膛外壁仿真溫度,重復22次以上步驟得到榨膛內(nèi)、外壁23個仿真溫度如表6所示。
圖4 榨膛簡易模型導入溫度示意圖
圖5 榨膛簡易模型內(nèi)壁溫度示意圖
表6 榨膛內(nèi)外仿真壁溫度(單位:℃)
通過試驗和仿真得到榨膛外壁23個對應點的溫度如表7所示。
表7 榨膛外壁實測溫度與仿真壁溫度(單位:℃)
由表7可以得到榨膛外壁榨膛的實際測量溫度與仿真溫度的誤差曲線如圖6所示。在點(65 mm,43.3 ℃)取得最大相對誤差為8.155%,平均誤差為3.93%,對于該農(nóng)業(yè)機械來說最大相對誤差和平均誤差均小于10%,因此誤差是在可接受范圍以內(nèi)的,可以用仿真的溫度來替代實際測量的溫度用于溫度曲線擬合。
通過Matlab可以將23個榨膛外壁的仿真溫度擬合成如圖7的函數(shù),其函數(shù)表達式為f(x)= 0.11125x+35.8608,且取得的最大誤差為8.3574%,對于農(nóng)業(yè)機械來說,滿足擬合精度。將主壓榨段開始的x的坐標65 mm和125 mm代入函數(shù)表達式f(x)= 0.11125x+35.8608中,可得到核桃壓榨時榨膛外表面主壓榨段最佳溫度范圍為43.09~49.76 ℃。
同理如圖8所示,同時也可以擬合榨膛內(nèi)壁的仿真溫度得到榨膛內(nèi)壁溫度分布曲線為f(x)=0.1132x+36.0761,且取得的最大誤差為8.4439%。將主壓榨段開始的x的坐標65 mm和125 mm帶入函數(shù)表達式f(x)=0.1132x+36.0761中,可得到核桃壓榨時榨膛內(nèi)表面主壓榨段最佳溫度范圍為43.43~50.23 ℃。
利用CH1500T型單螺旋榨油機對核桃進行了壓榨實驗,得到了不同預熱時間下的出油率、餅粕殘油率和核桃油的酸價,從而確定了最佳預熱時間為14 min。再利用Ansys Workbench軟件對型號為CH1500T單螺旋榨油機的榨膛進行網(wǎng)格劃分以及穩(wěn)態(tài)傳熱仿真,得到榨膛內(nèi)外壁相應測點的溫度。運用Matlab擬合榨膛內(nèi)、外的溫度分布曲線,從而確定了核桃冷榨的榨膛外壁、榨膛內(nèi)壁的溫度分布曲線和適宜溫度范圍,榨膛外壁溫度分布曲線
圖6 榨膛外壁實測溫度與仿真溫度誤差示意圖
圖7 榨膛外壁仿真溫度擬合函數(shù)示意圖
圖8 榨膛內(nèi)壁仿真溫度擬合函數(shù)示意圖
和榨膛內(nèi)壁溫度分布曲線分別是f(x)= 0.11125x+35.8608和f(x)=0.1132x+36.0761,適宜溫度范圍分別是43.09~49.76 ℃和43.43~50.23 ℃。這個結(jié)論可以用于今后對此類家用榨油機加熱裝置參數(shù)的改良,從而既能提高油產(chǎn)量還能保證油的品質(zhì)。