韓小偉 夏小群

摘要：針對傳統(tǒng)油炸鍋炸油容易變質(zhì)、殘渣難以排除以及油溫過高容易產(chǎn)生有害物質(zhì)等問題，設(shè)計了一款小型水油混合油炸式油炸機，主要進行了油炸機的結(jié)構(gòu)設(shè)計、溫控系統(tǒng)設(shè)計及關(guān)鍵零部件的熱一力耦合仿真。采用AT89C51片機實現(xiàn)了對油層進行溫度控制，使油溫在0～200℃之間按設(shè)定溫度可調(diào)，油層下面的水溫保持在55℃以下，避免了油溫過高產(chǎn)生有害物質(zhì)，保證食物更加健康。使用ANAYS Workbench有限元分析單元，在同時設(shè)定溫度和栽荷約束的情況下，對油炸鍋和外部框架進行熱力耦合分析。通過一組實例試算可知，油炸機有限元模型上的最大受力點位于油炸鍋鍋體上部，強度足夠，兩個核心部件的設(shè)計滿足熱力要求。

關(guān)鍵詞：油水混合;油炸機;結(jié)構(gòu)設(shè)計;熱力耦合仿真

中圖分類號：TS203

文獻標志碼：A

文章編號：1009-9492 f 2022）02-0137-04

0 引言

傳統(tǒng)的油炸食品的烹制過程存在很多問題，如由于油溫的不可控性而導(dǎo)致油炸出來的食物口感變差、殘渣需要人工清理、在進行清理的過程中要將其連同廢油全部倒掉而造成油的嚴重浪費，以及食物殘渣不及時清理造成的高溫油炸炭化等問題[1-3]。

針對上述問題，開發(fā)出一款濾渣方便、節(jié)約成本并能防止油溫過快升高的油炸機。設(shè)計了一款采用水油混合式油炸機。水油混合油炸是利用油水互相不融合、密度大小不同而形成自動分層的液體結(jié)構(gòu)來進行油炸的。油鍋中的水油分為3層，分別是高溫油層，緩沖油層以及水層。油水在混合后會自動分層，上層的是油，密度小，在加熱后放人食品進行油炸;下層是密度大的水，下沉的食物殘渣由水層接受[4]。通過加熱中部油層控制不同油層的溫度，這樣可以降低油的氧化程度，減少有害物質(zhì)的生成[5-6]。此外，在油炸過程中，食物殘渣在高溫油層中因為碳化形成的油炸會自動落入水層，油炸積累沉淀到油箱底部[7]。設(shè)定殘渣分離器自動排渣頻率，可以定期進行殘渣排出，避免殘渣持續(xù)油炸而產(chǎn)生有害物質(zhì)。同時，水油混合式油炸還可以使得油層中食物可從水層中吸取適量的水分，使炸出的食品細膩、柔軟具有金黃的色澤[8]。

本文設(shè)計的油炸機有以下4個特點。（1）食物品質(zhì)好。降低了油炸食品含油量，保存了所炸食品良好的外觀形狀，而且色香味俱全，滿足了食用者對油炸食品外觀及口感的要求。（2）健康。在高溫油炸的過程中產(chǎn)生的食物殘渣會在脫離高溫油層后落入殘渣分離器，并自動從水層中排出，當高溫油層中的水分含量不足時，水層能為高溫油中提供適當?shù)乃?，使得炸制成的食物不至于出現(xiàn)被炭化的情況，能夠大大減少致癌物質(zhì)產(chǎn)生。滿足了食用者對于油炸類食品安全健康的需求。（3）環(huán)保。電加熱方式是本次智能油炸機的加熱方式，相比其它幾種加熱方式，能源的損耗較少，節(jié)約了能源。（4）節(jié)油。本次設(shè)計的智能油炸機采用水油混合油炸方式，通過加熱油層中部來炸制食品，控制不同油層的溫度，降低炸油的氧化程度，從而延長炸油的使用壽命[9]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

該油炸機主要用于家庭、小作坊油炸食品的生產(chǎn)，具備輕巧、方便搬運的特點。其機械結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮外形、體積、重量、承載能力等因素，其主要結(jié)構(gòu)有外部框架、油炸鍋、殘渣分離器、炸籃和水箱等。選擇使用普通不銹鋼方管為框架的材料。油鍋、炸籃都是與食物直接相互接觸的結(jié)構(gòu)，選擇食品級304不銹鋼。殘渣分離器因與水接觸，為了減少生銹、腐蝕等情況的發(fā)生，材料選用普通不銹鋼。

1.1 主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了最終實現(xiàn)對油炸機進行熱一力耦合分析，本文采用Creo進行了油炸機零部件三維模型的建立和裝配。由于建模過程中零部件過多.本文主要描述油炸鍋、殘渣分離器和外部框架的結(jié)構(gòu)和三維模型。

（1）油炸鍋

油炸鍋為炸制過程中食物和油的主體容器，其總體結(jié)構(gòu)分為兩個部分，一部分長方體，一部分為錐形。長方體部分主要盛置水、油和食物的主要部分;錐形部分是為了方便殘渣通過鍋壁滑人殘渣分離器中，從而進行殘渣的收集和除去。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（2）殘渣分離器

殘渣分離器的主要功能是為了實現(xiàn)收集和分離殘渣。殘渣在油炸的過程中，通過油層和水層落入到殘渣分離器中。殘渣分離器的入水管和水管相連，落渣管和殘渣分離器的入水管相連。排渣管、掉渣管和進水管處均設(shè)有水閥，方便控制殘渣的收集的分離，需要排渣的時候，關(guān)閉落渣管的水閥開關(guān)，打開進水管和掉渣管的水閥開關(guān)，利用水流把殘渣分離器中殘渣沖出。殘渣分離器的主要結(jié)構(gòu)為上下流道為圓柱管，中間儲渣部位為圓錐形，三維模型如圖2所示。

（3）外框架

外部框架需要承受來自油炸鍋、殘渣分離器、水箱和水油的重量，其中承重最大的為與油炸鍋的接觸處。外部框架的材料油炸機外部框架采用不銹鋼材質(zhì)，根據(jù)油炸機框架的尺寸建立三維模型，采用焊接連接方式。部分框架采用對稱造型，通過陣列、鏡像等指令完成建模。外部框架三維模型如圖3所示。

1.2 油炸機的整體模型

采取自頂向下的裝配方式，將外部框架、油炸鍋、水箱和殘渣分離器等部件按照一定的裝配關(guān)系裝配起來。以外部框架作為主組件，以油炸鍋、水箱等等部件作為子配件，然后標識主組件及其相關(guān)特征，將各個零件按設(shè)計要求的約束條件或連接方式裝配在一起，最終形成的完整的裝配模型圖與外形三維圖型如圖4所示。

2 溫控系統(tǒng)設(shè)計

溫控儀結(jié)構(gòu)主要由單片機、液晶顯示屏、風鳴器、溫度傳感器及電阻等組成。溫控系統(tǒng)通過溫度傳感器對油溫進行采樣、監(jiān)控，操作者根據(jù)食材的適宜炸制溫度，通過按鍵模塊選擇適合的檔位，把油溫控制在所需溫度的范圍內(nèi)，同時液晶顯示屏顯示實時油溫[10]。若當溫度上升至設(shè)定極限溫度值時，系統(tǒng)就會開始啟動報警。當溫度長時間沒有得到有效控制時，為了防止裝置損壞，需要進行相應(yīng)的保護，可以通過跳閘來停止油炸機的工作。該溫度控制系統(tǒng)由主控制系統(tǒng)、溫度采集模塊、溫度顯示模塊、報警模塊和按鍵控制系統(tǒng)組成溫控儀總體電路設(shè)計框圖如圖5所示。溫度傳感器在油層中的分布情況如圖6所示。

3 熱一力耦合仿真

油炸機在工作過程中，油炸鍋溫度變化范圍是25 -200℃。溫度的升高會直接影響到材料的力學(xué)性能，溫度的升高會使鋼材的強度下降，應(yīng)變量也會增大。因此，利用ANSYS Workbench軟件進行油炸鍋和外部框架進行應(yīng)力應(yīng)變分析和熱耦合場分析。

3.1 油炸鍋熱一力耦合分析

油炸鍋是與熱油直接接觸的部件，它的安全系數(shù)足夠是油炸機品質(zhì)的保障。利用Fluent在Workbench中的穩(wěn)態(tài)熱穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)靜力對油炸鍋進行熱一力耦合分析。選用食品級304不銹鋼，添加材料為結(jié)構(gòu)鋼。將Creo環(huán)境下的三維模型另存為x-t格式，再導(dǎo)入Workbench軟件[11]。

采用白由劃分網(wǎng)格的方式進行網(wǎng)格劃分，設(shè)置溫度為200℃，得到油炸鍋溫度場分布油炸鍋熱通量計算結(jié)果。油炸鍋內(nèi)部受水油壓力作用，兩掛耳受約束作用，還受到殘渣分離器的拉力作用。設(shè)置靜力學(xué)分析條件時同時施加水油重力和液壓場，將溫度場導(dǎo)人靜力分析項目中，進行運算求解，油炸鍋的熱力耦合應(yīng)力如圖7所示。由應(yīng)力圖可知，最大應(yīng)力為114 MPa，遠小于304不銹鋼的許用應(yīng)力137 MPa。因此，在當前設(shè)計條件下，油炸鍋具有足夠的強度。

3.2 外部框架熱一力耦合分析

外部框架承受了油炸鍋的重力，水油重力以及殘渣分離器的重力作用，同時在與油炸鍋掛耳接觸部位受到熱傳導(dǎo)作用，外部框架是智能油炸機性能保證的主要部件之一，因此需要對其進行熱一力耦合分析。

設(shè)置框架方管與掛耳接觸處溫度設(shè)置為100℃。外部框架有腳輪支撐，先設(shè)置四角固定，又受油炸鍋重力、水油重力和殘渣分離器重力作用，對其施加邊界條件、設(shè)置靜力學(xué)分析條件[12]。將溫度場導(dǎo)入靜力分析項目中，通過運算求解后得到外部框架的熱力耦合應(yīng)力分析如圖8所示。由圖可知，外部框架最大應(yīng)力為303 MPa，遠小于304不銹鋼方管屈服強度410 MPa。因此，在當前設(shè)計條件下，外部框架具有足夠的強度。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款采用水油混合方式進行式油炸的油炸機。利用油水互相不融合、密度大小不同、液體白動分層的特征，實現(xiàn)了加熱中部油層，降低油的氧化程度，減少了有害物質(zhì)的生成;同時，在油炸過程中，通過自動過濾系統(tǒng)，保證了殘渣及時排出，使炸出的食品細膩、柔軟具有金黃的色澤，同時也延長了炸油的使用壽命。采用采用AT89C51片機實現(xiàn)了對油層進行溫度控制，使油溫在0 - 200℃之間按設(shè)定溫度可調(diào)，油層下面的水溫保持在55℃以下，避免了油溫過高產(chǎn)生有害物質(zhì)，保證食物更加健康。采用Creo進行了油炸機三維結(jié)構(gòu)的設(shè)計，同時將模型導(dǎo)入利用ANSYS Workbench軟件，利用該軟件的中的穩(wěn)態(tài)熱穩(wěn)定模塊和結(jié)構(gòu)靜力模塊對核心部位——油炸鍋和外部框架，進行熱一力耦合分析。分析結(jié)果顯示，在當前設(shè)計條件下，油炸鍋和外部框架具有合理的溫度場分布情況和足夠的強度，設(shè)計結(jié)果合理。

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